Optimizacion de los parámetros operacionales del reactor R-3601 A de la planta Olefinas II del...

República Bolivariana de Venezuela Universidad del Zulia

Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química

OPTIMIZACIÓN DE LOS PARÁMETROS OPERACIONALES DEL REACTOR R-3601

A DE LA PLANTA OLEFINAS II DEL COMPLEJO “ANA MARIA CAMPOS”

TESIS DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO

Tutor Industrial Tutor Académico Ing. Euro Nava Prof. María Emilia Da Costa

Asesor Industrial

Ing. Lizseth Rodriguez

MARACAIBO, ABRIL 2009

Autores

Br. Juan Diego Brito Camejo Br. Manuel Felipe Rojas Leal

C. I. V- 17.661.974 C.I. V- 18.987.402

DERECHOS RESERVADOS

i

Optimización de los parámetros operacionales del reactor R-3601 A de la planta Olefinas II del complejo “Ana María Campos”.

Tutor Académico:

_______________________ Ing. María Emilia Da Acosta

Brito Camejo, Juan Diego. C.I. V- 17.661.974

Dirección: Av. 4 Bella Vista, Edificio Torres

Europa II, Piso 6, Apto. 6C.

Teléfonos: (0261-6148876)- (0424-6263398)

Correo Electrónico: [email protected]

Rojas Leal, Manuel Felipe. C.I. V- 18.987.402

Dirección: Av. 3y con Calle 72, Edificio

Maunaloa, Piso 4, Apto. 4B.

Teléfonos: (0261-7929231)- (0414-6216219)

Correo Electrónico: [email protected]

DERECHOS RESERVADOS

DEDICATORIA

A mí querida y adorada madre Lilia

A mis Hermanos Mariangela y Simón

A mis dos amores Samuel y Jessika

A mis tíos Marcos y Rafael

A mi gran amigo Juancho

Manuel Felipe Rojas Leal.

DERECHOS RESERVADOS

DEDICATORIA

A mis padres Givany y Mercedes

A mis hermanas Giovanna y Alejandra

A mis abuelos Carmen, Pedro, Clara y Reyes

A mi novia Vanessa

A mi gran amigo Manuel

Juan Diego Brito Camejo.

DERECHOS RESERVADOS

Brito C. Juan D; Rojas L. Manuel F. Optimización de los parámetros operacionales del reactor R-3601 A de la planta Olefinas II del complejo Ana María Campos. Tesis de Grado para optar por el título de Ingeniero Químico. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Maracaibo, Venezuela, 2009. 125 p.

RESUMEN

La planta Olefinas II consta con un sistema de hidrogenación de acetileno, conformado por tres reactores adiabáticos de lecho fijo conectados en serie (R-3601 A/B/C). El presente trabajo se realizó con el propósito de plantear una propuesta para dar solución a la problemática de la formación de una capa en el tope del reactor R-3601 A, la cual obstruía el flujo de gas craqueado y que alteraba los parámetros operacionales del mismo. Para ello fue necesario realizar la caracterización de la capa, seguido por el análisis de los parámetros que fueron afectados por la misma. Esta investigación metodológicamente es de tipo descriptiva, desarrollada en cuatro (4) fases, entre ellas se destaca, indicar los posibles factores que dieron origen a la formación de la capa. El alcance del presente trabajo de investigación fue la recomendación de un sistema encargado de evitar la formación de la capa en el tope del reactor y de esta manera optimizar los parámetros operacionales del mismo. La propuesta resultante fue la recomendación de un sistema integrado por un ciclón y un filtro de guarda, capaces de retener partículas menores de 75 μm dado que se determinó que la procedencia de la capa podría atribuirse a reacciones de oligomerización promovidas por el arrastre de partículas provenientes de procesos de erosión y/o corrosión de la tubería que conecta los secadores A-3701 A/B con el reactor, así como tambien del tamíz molecular emplazado en dichos adsorbedores. La conclusión principal fue que a través de dicho sistema se lograba la optimización de los parámetros operacionales del reactor R-3601 A. Finalmente, una de las recomendaciones fue realizar la inspección del tramo de la tubería antes mencionada con la finalidad de corroborar la posibilidad de desgaste de la tubería. PALABRAS CLAVES: Reactor de Hidrogenación, Parámetro Operacionales, Ciclón, Filtro. Correo electrónico de los autores: [email protected], [email protected]

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Brito C. Juan D; Rojas L. Manuel F. Optimization of the operational parameters of the reactor R-3601 A of the Olefins II plant of Ana María Campo’s complex. Tesis de Grado para optar por el título de Ingeniero Químico. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Maracaibo, Venezuela, 2009. 125 p.

ABSTRACT

The Olefinas II plant has an acetylene hydrogenation system shaped by three adiabatic reactors of fixed bed connected in series (R-3601 A/B/C). The present work was realized with the intention of raising an offer to give solution to the problematics of the formation of a cap at the top of the reactor R-3601 A, which was obstructing the flow of cracked gas and that it was altering the operational parameters of the same one. For it, was necessary to realize the characterization of the cap, followed for the analysis of the parameters that were affected by the same one. This research methodologically is of type descriptive, developed in four (4) phases, among them it is outlined, to indicate the possible factors that gave origin to the formation of the cap. The scope of the present work of research was the recommendation of a system entrusted to avoid the formation of the cap at the top of the reactor and hereby to optimize the operational parameters of the same one. The resultant offer was the recommendation of a system integrated by a cyclone and a guard's filter, capable of retaining minor particles of 75 μm due to it was determined that the origin of the cap might assume to reactions of oligomerization promoted by the dragging of particles from processes of erosion and/or corrosion of the pipeline that connects the dryers A-3701 A/B with the reactor, as well as also of the molecular sieve located in sayings adsorbers. The principal conclusion was that across the above mentioned system there was achieved the optimization of the operational parameters of the reactor R-3601 A. Finally, one of the recommendations was to realize the inspection of the section of the pipeline before mentioned with the purpose of corroborating the possibility of wear of the pipeline. KEY WORDS: Hydrogenation Reactor, Operationals Parameters, Cyclone, Filter. Author’s e-mail addresses: [email protected], [email protected]

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INDICE GENERAL

Página

DEDICATORIA AGRADECIMIENTOS ÍNDICE GENERAL 7

ÍNDICE DE TABLAS 11

ÍNDICE DE FIGURAS 12

ÍNDICE DE GRÁFICOS 13

ÍNDICE DE ANEXOS 14

RESUMEN 15

ABSTRACT 16

INTRODUCCIÓN 17

CAPITULO I: EL PROBLEMA. 18

1.1. Planteamiento del problema. 19

1.2. Formulación del problema. 20

1.3. Objetivo general

1.4. Objetivo especifico

20

20

1.5. Justificación e importancia de la investigación. 20

1.6. Delimitación de la investigación. 21

Delimitación espacial. 21

Delimitación temporal. 21

CAPITULO II: MARCO TEORICO. 22

2.1. Descripción de la empresa. 23

Actividad económica. 23

Proceso productivo. 24

Materia prima utilizada. 27

Productos generados. 27

2.2. Antecedentes de la investigación. 28

2.3. Descripción general del proceso de la planta Olefinas II. 31

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4. Descripción del sistema de hidrogenación de acetileno de la planta

Olefinas II. 42

2.5. Bases Teóricas. 45

Hidrocarburos. 45

Alcanos. 45

Alquenos. 46

Alquinos. 46

Hidrógeno. 47

Aplicaciones del hidrógeno. 47

Temperatura. 47

Presión. 48

Flujo. 48

Transferencia de calor. 49

Reacción química. 49

Clases de reacciones. 50

Oligómero. 51

Catálisis. 51

Hidrogenación. 52

Teoría de la hidrogenación selectiva. 53

Reactor químico. 54

Tipos de reactores químicos. 55

Adsorción. 58

Adsorbedores de lecho fijo. 58

Adsorbedores de tanque agitado. 60

Adsorbedores continuos. 60

Adsorbentes y procesos de adsorción. 60

Termogravimetría. 62

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Página

Espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier. 63

Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente. 63

Microscopia electrónica de barrido. 64

Separadores de ciclón 64

Principio de funcionamiento 66

Familia de ciclones. 67

2.6. Sistema de variables. 69

2.7. Definición de Términos Básicos. 71

CAPITULO III: MARCO METODOLOGICO. 78

3.1. Tipo de Investigación. 79

3.2. Diseño de la Investigación. 79

3.3. Técnicas de Recolección de Información. 80

3.4. Fases de la Investigación. 81

Fase I: Caracterización de la capa formada en el tope del reactor R-

3601 A. 81

Fase II: Análisis de los parámetros operacionales del reactor R-

3601 A. 82

Fase III: Identificación de los posibles factores que dieron origen a

la capa en el reactor R-3601 A. 83

Fase IV: Recomendación de un sistema para el mejoramiento de

los parámetros operacionales. 83

CAPITULO IV: RESULTADOS. 84

4.1. Fase I: Caracterización de la capa formada en el tope del reactor R-

3601 A 85

Análisis termogravimétrico (TGA). 88

Plasma acoplado inductivamente (ICP). 90

Espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR). 91

Microanálisis y microscopía electrónica de barrido (MEB). 94

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2. Fase II: Análisis de los parámetros operacionales del reactor R-3601

A.

100

Presión diferencial. 100

Temperatura. 101

Conversión de acetileno. 103

4.3. Fase III: Identificación de los posibles factores que dieron origen a la

capa en el reactor R-3601 A. 105

4.4. Fase IV: Recomendación de un sistema para el mejoramiento de los

parámetros operacionales. 107

CONCLUSIONES 110

RECOMENDACIONES 113

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 115

ANEXOS 118

DERECHOS RESERVADOS

INDICE DE ANEXOS

Página

Anexo # 1. Data sheet del reactor R-3601 A. 119

Anexo # 2. Data sheet del los secadores A-3701 A/B. 120

Anexo # 3. Difusor del reactor R-3601 A. 123

Anexo # 4. Capa formada dentro del reactor R-3601 A. 123

Anexo # 5. Parte de la muestra tomada del tope del reactor R-3601 A. 124

Anexo # 6. Rejilla metálica de reactor R-3601 A. 124

Anexo # 7. Muestras: (a) Lajas de color negro; (b) Lajas de color marrón;

c) Acumulación de color negro sobre superficie arenosa. 125

Anexo # 8. Tamiz de 60 mallas. 125




Anexo # 12. Partículas sólidas que traspasaron el tamiz de 200 mallas. 127

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17

INTRODUCCIÓN

En la industria petrolera y petroquímica, a menudo se presentan problemas

operacionales que influyen en el desempeño de las mismas, tal es el caso de la

Petroquímica de Venezuela (PEQUIVEN) la cual es una empresa productora y

comercializadora de productos petroquímicos en el mercado venezolano e

internacional y que como empresa integrada participa en todas las áreas del

negocio, desde el desarrollo de materias primas para la petroquímica básica hasta la

venta de productos y servicios de alta calidad a sus clientes. De tal modo es de

suma importancia que cada una de sus plantas opere bajo las condiciones de

operación estipuladas.

La planta Olefinas II ubicada en el complejo “Ana María Campos” esta

diseñada para producir etileno y propileno en grado polímero. Ésta fue construida en

tanto para vender sus productos como para surtir de materia prima a otras plantas

dentro del complejo petroquímico, es por ello que todos los equipos que la

conforman deben funcionar correctamente para impedir perdidas en las diferentes

secciones de la planta y de esta forma evitar las paradas no programadas que

ocasionan perdidas millonarias a la empresa.

Debido a lo anteriormente expresado se deseaba mejorar el funcionamiento

del rector R-3601 A, el cual estaba trabajando fuera de las condiciones de operación

por la formación de una capa en el tope del mismo.

La presente investigación esta dividida en 4 partes: El Capítulo I contiene las

especificaciones del problema. Además, refleja la delimitación tanto espacial como

temporal y la justificación de porque dicho problema debe ser resuelto de la manera

más eficaz y efectiva. En el Capítulo II se encuentra una breve descripción tanto de

la empresa como de la planta donde se desarrolla la investigación, incluyendo

también una serie de antecedentes y fundamentos teóricos que sirvieron como base

para desarrollar cada uno de los objetivos del proyecto. El Capítulo III presenta la

metodología utilizada, especificando el tipo de la investigación, diseño y técnicas que

se manejaron para recolectar los datos correspondientes. Por último en el Capitulo

IV se discuten y explican los resultados obtenidos.

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Universidad Rafael Urdaneta Capítulo I

19

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La planta de Olefinas II del Complejo Petroquímico “Ana María Campos” cuenta

con un sistema de hidrogenación, que tiene como propósito principal hidrogenar

selectivamente acetileno hasta obtener una concentración inferior a 1 ppm en el

producto final. Para ello, se cuenta con tres reactores (R-3601 A/B/C) adiabáticos de

lecho fijo conectados en serie, provistos con un catalizador de paladio soportado sobre

alúmina (Pd/Al2O3).

Las unidades de hidrogenación de acetileno se consideran críticas en cualquier

planta de Olefinas, razón por la cual, se hace seguimiento cerrado de las variables que

afectan el desempeño de estos sistemas. El seguimiento de las variables arrojó

incrementos en la presión diferencial del primer reactor (R-3601 A) debido a que retenía

en el tope de su lecho catalítico una capa, que además, causaba la disminución de la

actividad del catalizador.

La disminución de la actividad del catalizador ocurría porque la capa impedía la

libre distribución del gas dentro del reactor siendo dicha sección canalizada, lo que se

traducía en una caída de conversión, la cual debía ser compensada por medio del

aumento de la temperatura a la entrada del reactor e incrementando la cantidad de

dimetil-disulfuro (DMDS; encargado de reducir la concentración de CO en el reactor)

inyectado en los hornos.

La máxima temperatura de entrada manejada en el reactor R-3601 A es de 110

°C, lo cual limitaba la acción de aumentar dicha temperatura para obtener el contenido

de acetileno (C2H2) dentro de los rangos recomendados. La alta diferencia de presión

causada por la capa, es una limitante porque a medida que siguiera aumentando podría

ocasionar que se pierda la integridad mecánica del equipo y se produzca un descontrol

del proceso. Esto conllevaría a una interrupción automática del reactor, provocando una

parada no programada de la planta Olefinas II.

DERECHOS RESERVADOS


20

En base a lo descrito, se requería la evaluación del sistema de hidrogenación de

acetileno para determinar las causas del ensuciamiento del convertidor R-3601 A para

proponer soluciones concretas a la situación presentada.

Asimismo, la siguiente pregunta de investigación se plantea:

1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

¿Cómo optimizar los parámetros operacionales del reactor R-3601 A de la planta

Olefinas II del Complejo Ana María Campos?

1.3 OBJETIVO GENERAL

Optimizar los parámetros operacionales del reactor R-3601 A de la planta

olefinas II del complejo “Ana María Campos”.

1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Caracterizar la capa formada en el tope del reactor R-3601 A de la planta

Olefinas II.

2. Analizar los parámetros operacionales del reactor R-3601 A de la planta

Olefinas II.

3. Identificar los posibles factores que dieron origen a la capa en el reactor R-

3601 A en la planta Olefinas II.

4. Recomendar un sistema para el mejoramiento de los parámetros

operacionales del reactor R-3601 A de la planta de Olefinas II.

1.5. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN

La planta de Olefinas II representa una de las plantas más importantes dentro del

complejo “Ana María Campos” debido a que proporciona materia prima para llevar a

cabo procesos en otras plantas dentro del complejo. Es relevante optimizar las

condiciones operacionales del reactor R-3601 A, oportunamente para poder evitar las

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21

posibles desviaciones capaces de ocasionar problemas de mayor amplitud tanto en la

sección de hidrogenación como en otras áreas operativas de la planta. Al evitar la

formación de la capa, es posible disminuir la vulnerabilidad a sufrir daños y por ende

prevenir la pérdida de la integridad mecánica del reactor R-3601 A ante el constante

cambio de las condiciones operacionales por consecuencia de dicha capa.

Esto reduciría enormemente las probabilidades de ocasionar un colapso en la

planta que traería como consecuencia una gran pérdida de producción, estimada en

1050 TM/DIA de etileno (C2H4) y 390 TM/DIA de propileno (C3H6) equivalentes a unos

2.358.000 US$/DIA, a precios de los mercados de referencia mundiales.

Según el punto de vista teórico, esta investigación generara nuevos

conocimientos sobre la composición y posibles factores de formación de la capa, los

cuales no solo están enfocados hacia industrias químicas y petroquímicas sino también

como fundamentos para otras investigaciones.

1.6. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

Delimitación espacial:

El proyecto de tesis se llevará a cabo en la planta de Olefinas II ubicada en el

Complejo Petroquímico Ana María Campos, Municipio Miranda, Estado Zulia.

Delimitación temporal:

Este proyecto se realizará en un periodo de 10 meses, comprendidos entre los

meses de junio hasta abril del año 2008.

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Universidad Rafael Urdaneta Capítulo II

23

2.1. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA

Petroquímica de Venezuela (PEQUIVEN), es la empresa del estado venezolano

que se encarga de producir y comercializar productos químicos y petroquímicos para

los mercados nacionales e internacionales, y propicia a su vez la creación de empresas

mixtas para el desarrollo de otra cadena de productos.

PEQUIVEN, desde que fue creada en 1977, asumió las fundaciones y

operaciones de lo que fuera el Instituto Venezolano de Petroquímica (IVP), inaugurado

en el año 1955. Desde marzo de 1978, cuando se constituyó como filial de PDVSA,

PEQUIVEN ha vivido sucesivas etapas de reestructuración hasta llegar a convertirse en

una corporación petroquímica estratégica nacional.

Actividad Económica

PEQUIVEN está integrada por tres complejos petroquímicos: Ana María Campos

en el estado Zulia, Morón en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoátegui. Se

encuentra organizada en unidades de negocio que atienden el desarrollo de tres líneas

de productos petroquímicos: Olefinas y sus derivados, Fertilizantes y Productos

Industriales, además participa directamente en 16 Empresas Mixtas compuestas por

socios locales e internacionales.

PEQUIVEN ofrece más de 40 productos petroquímicos en los mercados nacional

e internacional. Su visión interna del negocio y la vinculación con importantes socios en

la conformación de las empresas mixtas en las que participa, le ha permitido tener

presencia en el mercado nacional y mundial.

PEQUIVEN tiene una estructura empresarial bastante compleja compuesta por

dos empresas filiales, tres empresas relacionadas y 16 empresas mixtas, cada una de

las cuales está orientada a desarrollar actividades operacionales, comerciales y / o

financieras

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24

PEQUIVEN cuenta con una serie de ventajas comparativas que ofrece

Venezuela en el área petroquímica:

– País petrolero con abundantes reservas de gas natural.

– Posición geográfica favorable para acceder a mercados regionales y globales

en crecimiento.

– Disponibilidad de una importante infraestructura industrial en áreas claves

para la expansión.

En el complejo Ana María Campos, a partir del gas natural y sal común, se

desarrollan tres líneas de productos de naturaleza eminentemente estratégicas para el

país, cuyos usos y aplicaciones están asociados con la vida diaria de toda la población.

Estas líneas son: cloro y soda utilizados como insumo para purificación del agua y para

múltiples usos industriales; fertilizantes los cuales apoyan el desarrollo agrícola y a las

políticas del desarrollo alimentario; plásticos (polietileno y polipropileno, PVC) los cuales

tiene una gran aplicación en la elaboración de artículos de uso cotidiano (bolsas,

envases, potes, etc)

Proceso productivo

En el complejo petroquímico “Ana María Campos” operan las siguientes

instalaciones propias de PEQUIVEN de varias empresas mixtas, las cuales son:

Planta de Gas Natural Licuado I y II (LGN I y II): estas plantas procesan el gas

natural proveniente del Lago de Maracaibo para producir: metano, el cual se usa como

materia prima para la producción de amoniaco y como combustible en complejo; etano

y propano, que sirven de materia prima a las plantas de Olefinas; butano y gasolina

natural, los cuales son enviados a las refinerías de Bajo Grande.

Planta de Amoníaco: En el complejo existen dos plantas gemelas, A y B para la

producción de amoníaco con una pureza de 99.5 %. El amoníaco es la materia prima

fundamental para la producción de urea. Se obtiene de la reacción del hidrógeno,

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25

generado a partir de la reformación del gas natural, con el nitrógeno que libera por

combustión de aire. Actualmente solo en funcionamiento la planta A.

Planta de Urea: están diseñadas para producir 1200 TMD de urea cada una. La

urea, un sólido cristalino, es el resultado de la reacción química entre el amoníaco

líquido y el dióxido de carbono gaseoso, ambos suministrados por las plantas de

amoníaco.

Planta de Cloro-Soda: utiliza como materia prima la sal común y agua

desmineralizada, de los cuales mediante un proceso de descomposición electrolítica se

obtienen el cloro y la soda cáustica. La planta de Cloro-Soda esta diseñada para

producir 388.8 TMD de cloro y 436 TMD de soda cáustica, y como subproducto se

obtiene adicionalmente 11.6 TMD de hidrógeno y 100 TMD ácido clorhídrico.

Planta Purificadora de Etano (PPE): se construyo con el objetivo de proveer el

etano que sirve de materia prima para la producción de etileno en las plantas de

Olefinas y minimizar así el consumo propano, con la posibilidad de liberarlo para

exportación por parte PDVSA. La planta purificadora de etano tiene una capacidad de

diseño de 270 MTMA de Etano.

Planta de Olefinas I y II: utilizan como materia prima propano y etano para

producir etileno y propileno grado polímero por medio de un proceso de craqueo,

compresión y enfriamiento para. La planta de Olefinas I tiene una capacidad hasta de

250 MTMA de etileno y 130 MTMA de propileno. Por otro lado, Olefinas II produce 386

MTMA de etileno y 130 MTMA de propileno.

Plantas de Vinilos: están constituidas por dos plantas, MVC II y PVC II. El

monocloruro de vinilo (MVC) se obtiene a partir del etileno y cloro provenientes de las

plantas de Olefinas y Cloro-Soda respectivamente, la planta tiene una capacidad de

diseño de 130 MTMA. La planta de policloruro de vinilo (PVC) esta diseñada para

producir 120 MTMA mediante la polimerización del MVC y la inyección de aditivos y un

iniciador.

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26

Planta de Efluentes: esta en capacidad de procesar los desechos líquidos

provenientes de las plantas que conforman el complejo acondicionándolas a los niveles

de calidad permisibles para ser descargados al Lago de Maracaibo.

Planta de Servicios Industriales: es la encargada se suministrar el vapor, agua y

energía a cada una de la plantas. Esta constituida actualmente por 17 calderas para la

generación de vapor, 5 generadores de electricidad, una productora de agua

desmineralizada (planta CTA), una estación centralizada de aire comprimido y un

sistema de bombeo y distribución de agua contra incendio.

PEQUIVEN, también cuenta con empresas mixtas como lo son: Poliolefinas

Internacionales (Polinter), Investigación y Desarrollo (Indesca), Química Venoco,

Polipropileno de Venezuela (Propilven) y empresas privadas como Estireno del Zulia

(Estizulia), la cual produce poliestireno y Praxiar que está destinada a la producción de

anhídrido carbónico.

DERECHOS RESERVADOS


27

Figura # 1: Planimetría del Complejo Ana María Campos.

Fuente: Manual de inducción complejo El Tablazo (1999).

Materia prima utilizada

En el complejo petroquímico “Ana María Campos” la materia prima fundamental

la constituye el gas natural, el cual se procesa en las plantas de LGN I y II para producir

metano (materia prima en la producción de amoniaco y combustible para la generación

eléctrica y de vapor), etano y propano (materia prima en las plantas de Olefinas I y II),

butano y gasolina natural. También se utiliza sal común como prima en la planta de

Cloro-Soda.

Productos Generados

PEQUIVEN y sus empresas mixtas elaboran más de 40 productos, los cuales

han sido organizados en las siguientes líneas:

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28

– Etileno y propileno (planta de Olefinas I y II).

– Polietileno de alta densidad (PEAD), polietileno de baja densidad (PEBD),

polietileno lineal de baja densidad (PELDB).

– Polipropileno. (empresa mixta Propilven).

– MVC (planta de Monocloruro de Vinilo).

– Amoníaco y urea (planta de Fertilizantes).

– Cloro-Soda, hidrógeno y ácido sulfúrico (planta de Cloro-Soda).

– Metano, etano, propano y butano (planta LGN I y II).

– Policloruro de vinilo (planta de PVC).

2.2. ANTECEDENTES.

Huang, Warren. Octubre (1979), publicó un artículo técnico titulado: “OPTIMIZE

ACETYLENE REMOVAL”.

Dicho artículo tuvo como objetivo:

Revelar la sensibilidad de las variables y parámetros cercanos a la operación

optima para la remoción de acetileno en plantas de Olefinas.

El artículo explica de manera detallada los siguientes aspectos:

– La temperatura del proceso debe ser aumentada gradualmente y estar muy

bien controlada para evitar la formación de green oil.

– El acetileno es adsorbido mas fuertemente que el etileno por la superficie del

paladio, por lo tanto la hidrogenación del etileno no comienza hasta que no se

hidrogene todo el acetileno.

– A nivel comercial se trata de remover el acetileno a un nivel específico de

partes por millon (ppm) entre 1 y 5. Para alcanzar esto usualmente se manipula la

temperatura de la alimentación y el porcentaje de monóxido de carbono (CO) y la.

– La perdida de etileno es muy sensible a la temperatura de alimentación, tanto

así que si llegara a aumentar en 1 % causaría un 29 % en la perdida de etileno.

DERECHOS RESERVADOS


29

– La concentración en ppm de acetileno a la salida del reactor igualmente son

muy sensibles a la temperatura de alimentación. Un incremento del 1 % en la

temperatura de entrada al reactor disminuiría los ppm de acetileno un 20 %.

El artículo se basó en el estudio de todas las condiciones operacionales que

podrían influir directamente en la concentración de acetileno, en la salida de un reactor

de hidrogenación con un catalizador de paladio soportado sobre alumina (Pd/A2O3),

aportando de esta manera, información valiosa en esta área de la investigación.

Sádaba, Mayte. Septiembre (2004), realizó un informe titulado: “EVALUACIÓN DEL CAMBIO DE CATALIZADOR EN EL SISTEMA DE HIDROGENACIÓN DE ACETILENO DE LA PLANTA OLEFINAS II DEL COMPLEJO ANA MARIA CAMPOS”.

Dicho informe tuvo como objetivo:

Revisar el esquema de operación de los reactores de hidrogenación de acetileno

de la planta Olefinas II.

En este informe se detallaron las ventajas que ofrecía la compañía licenciante del

catalizador con respecto a su actividad, estabilidad y tiempo de operación. También se

determinó, a través del fabricante, la temperatura de “clean up” y la de ”Runaway” en

una planta piloto. “Clean up” es la temperatura de entrada al reactor para que el

acetileno a la salida sea menor de 20 ppm y la temperatura de “Runaway”, es la

temperatura de entrada para que reaccione 3% del etileno, generando el calor

adecuado para estar muy cerca de estas condiciones.

La diferencia entre estas dos temperaturas, fue definida como ventana de

operación y se acentuó en que mientras mas grande era dicha ventana, mas estable

era el catalizador.

Este informe hace un valioso aporte en lo que se refiere a las condiciones

óptimas de operación relacionadas con el catalizador, así como también la vida útil

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30

establecida por el fabricante y el % de conversión de acetileno manejado en el lecho de

los reactores de hidrogenación.

Rodríguez, Lizseth Julio (2008), realizo un informe titulado: “INCREMENTO DE LA PRESIÓN DIFERENCIAL EN EL REACTOR R-3601 A DE LA PLANTA OLEFINAS II DEL COMPLEJO ANA MARIA CAMPOS”.

Dicho informe tuvo como objetivo general:

Analizar el incremento en el diferencial de presión del reactor R-3601 A de la

planta de olefinas II.

El informe consistió en la evaluación y análisis de las posibles causas que

estuviesen incrementando el diferencial de presión en el reactor R-3601 A, dado que

ejercía un efecto negativo sobre la conversión de acetileno. Se resaltó que fue

necesario aumentar la temperatura a la entrada del mismo para lograr concentraciones

de acetileno dentro de un rango aceptable a la salida del convertidor R-3601 A.

También se indicó, que la pérdida de actividad del catalizador se compensó

aumentando la temperatura del gas de proceso a la entrada del reactor R-3601 A y

aumentando la inyección de dimetil-disulfuro (DMDS) a los hornos, esto a su vez

conllevó a una disminución de la formación monóxido de carbono (CO) incrementando

así la actividad del catalizador.

La máxima temperatura permitida en el reactor R-3601 A es de 110 °C, lo cual

limitó la acción de aumentar la temperatura de entrada al reactor para obtener el

contenido de acetileno dentro de los rangos recomendados.

Este análisis tuvo como resultado la siguiente hipótesis:

El diseño de la planta Olefinas II contempla un secador primario (A-3701A/B)

antes del reactor de hidrogenación de acetileno R-3601 A, el gas de proceso pudo

haber arrastrado polvillo proveniente del desgaste del tamiz molecular, trasladándolo

DERECHOS RESERVADOS


31

hasta el reactor R-3601 y que, sumado a la presencia de polímeros, pudo reaccionar

formando una capa.

El aporte de esta investigación se centró en facilitar información acerca de la

tendencia durante el año 2008 de la temperatura, presión diferencial y contenido de

acetileno del convertidor R-3601 A. También proporcionó información acerca de las

consecuencias que trajo consigo el aumento de la presión diferencial y la disminución

de la actividad del catalizador en el reactor R-3601 A.

2.3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE LA PLANTA OLEFINAS II

Pirolisis y enfriamiento

La fase inicial del proceso consiste en someter a altas temperaturas las

corrientes de hidrocarburos (etano y/o propano mezclados con vapor de agua) para

producir la desintegración térmica (craqueo) de la molécula y su conversión a etileno,

propileno y subproductos. El gas de proceso resultante se compone de una mezcla de

productos olefínicos, gases incondensables, hidrocarburos de diferente orden molecular

y varias impurezas, tales como ácidos.

En este proceso endotérmico se controla la temperatura y la presión parcial del

hidrocarburo mediante la dilución con vapor para favorecer la formación del producto

deseado.

Esta sección se compone de 6 hornos idénticos (F-0101 a F0601), cada uno

consiste de 2 cajas radiantes y una sección de convección común, con 8 serpentines,

cada caja contiene 4 pasos de serpentín. La configuración de los serpentines esta

prevista para una alta relación superficie/volumen, que produce un rápido calentamiento

para promover la pirolisis y acortar el tiempo de residencia.

La distribución de los hornos se maneja con un esquema de 5 hornos en

operación normal y uno disponible como reserva para permitir el descoquizado.

DERECHOS RESERVADOS


32

En la zona de convección la alimentación, a 46-55 °C, se precalienta a 200 °C y

luego es mezclada con vapor de dilución a baja presión para reducir la presión parcial

de los hidrocarburos e incrementar la producción de los compuestos olefinícos

deseados. El flujo por horno puede variar de 4,32 a 9,35 TM/hr para craqueo de etano,

y de 7,2 a 15, 8 TM/hr para craqueo de propano.

Craqueo de etano 840 °C a 860°C:

CH3 – CH3 CH2 = CH2 + H2 +

CH4 C2H2 C2H4 C3H4 C3H6

C3H8 C4H6 C4H10 C5+ COKE

Craqueo de propano 820 °C a 840 °C:

CH2 = CH2 + H2 + CH3 – CH2 –CH3 CH2 = CH – CH3 + H2 +

CH4 C2H2 C2H4 C2H6 C3H4 C3H6

C3H8 C4H6 C4H8 C4H10 C5+ COKE

En la reacción se obtienen rendimientos teóricos de hasta 78 % de etileno/etano,

17 % de propileno/propano y 47 % de etileno/propano, dependiendo de los niveles de

conversión con los que se opere.

Los quemadores suministran el calor al horno, los cuales están instalados en

las paredes en la sección de radiación a varios niveles de altura, para asegurar una

buena distribución del calor sobre los serpentines en la zona de radiación.

Los gases calientes de combustión que abandonan la sección de radiación

fluyen a más de 800 °C a la sección de conveccion, en donde el calor se emplea para

precalentar la alimentación de hidrocarburo, el agua de calderas y sobrecalentar el

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33

vapor saturado que se genera en las calderas de enfriamiento súbito primario (E-

0101A/B a E-0601A/B).

Cada horno esta dotado de un ventilador de tiro inducido actuado eléctricamente

y una chimenea en el tope de los mismos, para la extracción de los gases de

combustión.

A fin de evitar reacciones secundarias, el efluente de los serpentines se enfría

rápidamente en las calderas de enfriamiento súbito primarias (E-0101 A/B a E-0601

A/B).

Lavado de gas de proceso

El efluente de la sección de pirólisis se enfría en un sistema de enfriamiento y

depuración con agua, consistente en una columna saturadora (T-2801).

El gas de pirólisis se enfría a 86.7 °C, punto de rocío, por evaporación del agua

puesta en contacto en contracorriente con el gas craqueado. Esto elimina las partículas

de coque, alquitrán y fracciones de destilados pesados contenidas en el mismo. El gas

de proceso, saturado con agua, se condensa por medio de ventiladores E-2801 en el

tope de la columna.

El fondo de la torre T-2801 pasa a un tambor separador D-2802 donde se separa

el aceite liviano, agua y aceite pesado. El agua obtenida se recircula hacia la columna

T-2801 en dos niveles diferentes, el aceite se envía al decantador D-2803, donde el

resto del agua se separa y recircula también al la torre T-2801, el aceite pesado se

bombea hacia los tanques de almacenamiento (D-7603).

Compresión del gas de proceso

Con el fin de obtener condiciones de presión y temperatura en el gas de proceso,

y poder efectuar la separación de sus componentes por destilación, se comprime este

DERECHOS RESERVADOS


34

gas a 37 bar(g) en un compresor centrífugo de 5 etapas. Este compresor (C-3101)

puede manejar un flujo de gas hasta de 120 TM/hr a 37 bar (g) y 37 °C.

Después de cada etapa de compresión el gas se enfría y se separan los

componentes pesados en tambores de separación interetapas.

El gas ácido, CO2 y H2S, se remueven entre la cuarta y quinta etapa mediante

lavado cáustico la columna de absorción (T-3501).

Los condensados líquidos de todas las etapas se recolectan y se envían a un

separador de baja presión (D-2801), que opera a 0.7 bar (a).

Remoción de gas ácido

El gas acido se elimina antes de la última etapa de compresión en la columna de

absorción (T-3501), donde se efectúa un lavado con NaOH en contracorriente,

reduciendo la concentración de CO2 a niveles adecuados (menor de 1 ppm). El

absorbedor utiliza un sistema dual de circulación, en el que la soda concentrada 4 %,

circula en la sección superior mientras que se repone la soda fresca y la soda gastada

va al fondo del equipo.

Tratamiento de soda gastada

La soda gastada, a una concentración aproximada de 2 %, se envía desde el

fondo del absorbedor cáustico a un separador de desgaseo (D-3502). De aquí el gas

obtenido se envía a la segunda etapa del compresor de gas de proceso y la soda se

enfría a 40 °C y se neutraliza con acido sulfúrico en un mezclador según las siguientes

reacciones:

NaCO3 + H2SO4 Na2SO4 + H2O + CO2

Na2S + H2SO4 Na2SO4 + H2S

2NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2 H2O

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35

La soda gastada neutralizada se envía entonces a un recipiente de

despojamiento, en donde el gas separado se envía al mechurrio de gases ácidos. El pH

del licor remanente se regula entre 7 y 9, y se bombea al sistema de tratamiento de

aguas residuales.

Secado

Luego de haberse eliminado los componentes ácidos en el lavado cáustico, el

gas se comprime en la última etapa de compresión y se procede a la eliminación del

acetileno en el sistema de hidrogenación.

El gas hidrotratado se pre-enfria con propileno refrigerante de alta presión antes

del secado para reducir el contenido de agua y el volumen de gas. El secado se efectúa

en un tamiz molecular, mediante un secador en servicio y otro en regeneración (A-3701

A/B). El ciclo de cada secador es de 36 horas y la humedad se reduce a menos de 1

ppm.

Hidrogenación

El gas de pirólisis se somete a una hidrogenación catalítica selectiva para

remover totalmente el acetileno y convertir dienos a mono-olefinas, el acetileno se

controla a la salida a una concentración menor que 1 ppm. Para ello, el gas de proceso

se calienta a la temperatura de reacción entre 50 y 110 °C.

La hidrogenación se efectúa en un sistema de tres reactores de lecho fijo (R-

3601 A/B/C) adiabáticos, en serie, con enfriamiento entre cada lecho para remover el

calor liberado por la reacción de hidrogenación.

Las reacciones que tienen lugar son:

CH ≡ CH CH2 = CH2 + Q

CH2 = C = CH2 + H2 H2C = CH – CH3 + Q

CH2 = CH2 + H2 CH3 – CH3 + Q

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Secado secundario y pre-enfriamiento

El gas limpio se enfria en contracorriente en líneas que vienen de las sección de

fraccionamiento y se pasa por una segunda etapa de secado, para eliminar el agua que

pudiera formarse en el sistema de hidrogenación.

Posteriormente se enfria en la sección de pre-enfriamiento con etileno y

propileno refrigerante.

Torres Deetanizadoras

El gas de pirólisis y las corrientes de condensado se alimentan a las columnas

deetanizadoras (T-3801/T-3802) para su separación en fracciones.

El sistema consta de dos torres: una a alta presión (27 bar y 48 °C en el tope)

que realiza la función de despojamiento, y la otra a baja presión, recibe el fondo de la

primera (libre de metano y livanos). El tope de la segunda torre se condensa

parcialmente con propileno refrigerante y se envia al separador de C2=/C2

o. El fondo de

la segunda columna (72 °C), conteniendo C3o, C3

= y componentes mas pesados, se

envía a la depropanizadora.

Sección de baja temperatura

El gas de proceso se enfría en varias etapas (E-4001 1/2/3; D-1/2/3) hasta que

todo el etileno, etano y parte del metano hayan condensado, enviándose esta corrientes

a la columna demetanizadora. Las corrientes de productos fríos se utilizan como

refrigerantes y el rango de temperaturas que se maneja en esta sección es de -52 a -99

°C.

Separación metano/etano (C1/C2)

Todos los condensados de la sección de baja temperatura se alimentan a la

demetanizadora en donde se extraen por el tope componentes livianos: metano,

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monóxido de carbono (CO) e hidrógeno. La fracción de fondo se envía a la columna

fraccionadora etano/ etileno (T-4301).

La demetanizadora opera a 31 bar (g) y con una temperatura de tope de -3 °C y -

6 °C en el fondo.

Fraccionadora etileno/etano (C2=/C2

o)

La corriente de fondo líquida de la demetanizadora y la corriente de tope de la

deetanizadora de baja presión alimentan a la fraccionadora de C2 en dos bandejas

diferentes (T-4301). Esta columna opera a 17 bar (g) con una temperatura de tope de -

32,2 °C y una de fondo de -10,3 °C.

El etileno producto se extrae como gas o liquido del tambor de reflujo. El etileno

gaseoso se recalienta con propileno y se envía a los usuarios. El etileno producto

líquido se sub-enfría y se envía a almacenamiento de etileno líquido.

La fracción de fondo, etano, intercambia calor con la alimentación en la zona de

enfriamiento hasta temperatura ambiente y se recicla a los hornos de pirólisis, o se

envía a los tanques de almacenamiento de etano 176-F A/B/C.

Sistema de refrigeración de etileno

Se usa para suplir los requerimientos de bajas temperaturas (de bajo rango) en

el fraccionamiento, mediante el empleo de un compresor centrífugo de tres etapas (C-

4401) que permite alcanzar temperaturas entre -56 y -102 °C.

Sistema de refrigeración de propileno

Produce los requerimientos de refrigeración para el fraccionamiento en un rango

medio de temperaturas, pudiéndose alcanzar de 10 a -38 °C, mediante la compresión

de vapores de propileno en un compresor centrífugo de 4 etapas (C-4601).

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Como parte del sistema se usan aero-condensadores y un tambor de

condensado (D-4605) desde donde se suplen los requerimientos de los equipos

refrigerados.

Pressure swing adsorption (PSA)

En esta unidad se purifica parte del hidrogeno del gas de cola en una corriente

de alta pureza para ser empleada en la unidad de hidrogenación de gasolina. Se usan

cinco adsorbedores (A-5001 A/B/C/D/E) que operan en un ciclo alternativo de

adsorción-regeneración, en forma completamente automatizada.

Separación propano/ butano (C3/C4)

El producto de fondo de la deetanizadora de baja presión se alimenta a la

depropanizadora (T-5101) que opera a 10,6 bar y 28, 3 °C en el tope y 90 °C en el

fondo.

La fracción de C3 se produce en estado líquido como producto de tope de la

depropanizadora, a 20 bar (g) y 89,5 °C y se envía a la fraccionadora

propano/propileno.

Los C4 e hidrocarburos mas pesados se envían como productos de fondo a la

separadora C4/C5.

Separación propileno/propano (C3=/C3

o)

El producto de tope de la depropanizadora se alimenta a la separadora de C3 (T-

5501) que opera a 12 bar (g), 28,3 °C en el tope y 38 °C en el fondo. Esta separa el

propileno del propano para obtener un producto final como propileno grado polímero.

Esta columna utiliza una bomba de calor para suplir los requerimientos calóricos

del fraccionamiento.

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En el tope se obtiene propileno del tambor del condensador, y en el fondo, la

fracción de propano se recicla a los hornos de pirólisis.

Separación butano/pentano (C4/C5)

El producto de fondo de la depropanizadora se alimenta a la debutanizadora (T-

5701) que opera a 7 bar (g), 64 °C en el tope y 131 °C en el fondo, para ser separado

en una fracción de C4 y otra fracción de gasolina ligera. Como tope de la columna se

retira la fracción de C4 que se recicla a los hornos de pirólisis en conjunto con el

propano del fondo de la fraccionadora propileno/propano. La fracción C5+ se envía a la

unidad de hidrogenación de gasolina.

Hidrogenación de gasolina

El propósito de esta unidad es eliminar componentes inestables (como di-

olefinas) por hidrogenación selectiva, con objeto de producir gasolina para motor a las

especificaciones requeridas. Esta gasolina reacciona con hidrógeno de alta pureza en

un reactor catalítico de lecho fijo, selectivo (R-6101) a condiciones específicas de 19 bar

(g) y 100 ° C o 147 ° C para minimizar la formación de productos pesados por

polimerización y evitar pérdidas de componentes aromáticos por hidrogenación.

Consta de una sección de separación de componentes pesados (T-6301), la

sección de reacción propiamente dicha, y la destilación final o estabilización (T-6201).

Sistema de re-compresión de etileno/propileno (KOBE)

El objetivo de estos compresores (C-7201/7401) es recuperar y condensar todos

los vapores de etileno/propileno generados en el almacenamiento de estos líquidos

criogénicos, en la carga del tanque o por las perdidas de calor a través de las paredes.

El compresor de etileno es de tres etapas y opera a 16 bar (g). El compresor de

propileno es de tres etapas también y opera a 20,5 bar (g).

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Sistema de vapor y condensado

El sistema de vapor consiste en dos cabezales de vapor de alta presión (HP I y

HP II), un cabezal de media presión (MP) y un cabezal de baja presión. El HP I suple

con el vapor generado de las calderas de recuperación térmica en las secciones de

pirólisis y enfriamiento súbito. Todo este vapor se consume en la planta, satisfaciendo

sus necesidades, requiriéndose vapor de importación, según diseño original, solo para

el arranque.

Los condensados de turbinas se envían a una unidad de pulimento para ajustar

sus características y se rehúsan como agua de alimentación a calderas después de

desgasificarlos.

Sistema de dosificación de dimetil-disulfuro (DMDS)

La presencia de óxidos de carbono en el efluente de hornos esta estrechamente

relacionada con la formación de coque en las paredes de los tubos, la relación del

coque con el material de dichos tubos reduce la resistencia mecánica de estos y

disminuyen su vida útil. Además, la adición de monóxido de carbono en la corriente de

salida de los hornos controla la reacción de hidrogenación de acetileno en la corriente

de gas de proceso.

Al fin de incrementar el tiempo de utilización (por ciclos) y la vida útil de los tubos

de los hornos, así como de tener condiciones estables en la hidrogenación, debe

inyectarse dimetil-disulfuro en los cabezales de etano y propano a los hornos, debido a

que su presencia inhibe la formación de óxidos de carbono. El DMDS se inyecta por un

sistema de bombas dosificadoras.

Sistema de metanol (CH3OH)

Este sistema se usa para la eliminación y descomposición de hielo y formación

de hidratos en las secciones de baja temperatura de la planta, en diferentes puntos de

inyección, cuando se generan.

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Sistema de pre-tratamiento de efluentes

Los efluentes orgánicos e inorgánicos de la planta tienen sistemas de recolección

separados, los cuales, previo pre-tratamiento, se envían a la planta central de

tratamiento de efluentes.

El tratamiento de efluentes orgánicos contempla:

– Neutralización de soda cáustica gastada.

– Separación de partículas de coque del efluente.

– Separación de aceite

Figura # 2: Diagrama de planta Olefinas II.

Fuente: Manual de operación de la planta Olefinas II (1991).

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2.4. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE HIDROGENACIÓN DE ACETILENO DE LA PLANTA OLEFINAS II

El gas craqueado proveniente de la quinta etapa del compresor C-3101 es

enviado hacia la sección de hidrogenación, con el propósito de hidrogenar su contenido

de acetilenos y dienos. Para ello se cuenta con 3 reactores adiabáticos R 3601 A/B/C,

conectados en serie. El hidrógeno necesario para la reacción se encuentra contenido en

el gas craqueado.

Las reacciones que tiene lugar son las siguientes:

– C2H2 + H2 = C2H4

– C3H4 + H2 = C3H6

– C4H6 + H2 = C4H8

– C2H4 + H2 = C2H6

El gas de alimentación hacia la sección de hidrogenación es primeramente

calentado en el intercambiador de calor E-3601 mediante vapor de baja presión.

Aguas abajo de los reactores R-3601 A/B se encuentran los enfriadores

intermedios E-3602 y E-3603 (Figura # 3), respectivamente, en los cuales el gas es

enfriado, utilizando agua como medio de enfriamiento, hasta la temperatura de entrada

del siguiente reactor.

El gas a la salida del último reactor R-3601 C tiene un contenido de acetileno

inferior a 1 ppm mol. Este gas será enfriado hasta una temperatura final de alrededor de

37 °C en los enfriadores a agua E-3604 A/B antes de dejar la sección de hidrogenación.

En el separador D-3601, son separados los hidrocarburos pesados del flujo de

gas y enviados hacia el separador de agua/gasolina D-2801.

El gas craqueado e hidrogenado, obtenido por el tope del separador D-3601,

será enviado hacia las secciones de preenfriado y secado.

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Figura # 3: Diagrama del sistema de hidrogenación de acetileno (R-3601 A/B/C).


Cada reactor está equipado con 5 indicadores de temperatura ubicados en la

cama de reacción (Figura # 4), y uno a la salida del mismo para posibilitar el monitoreo

de la reacción. Además, cada reactor cuenta con un interruptor de alta temperatura

ubicado a su salida. Estos interruptores producen la parada de la sección de

hidrogenación, para lo cual cierra la entrada al sistema, abre el desvío y, dejando pasar

un cierto tiempo, despresuriza el sistema hacia el mechurrio. Esto es necesario para

impedir que se descontrole la reacción en los reactores.

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Figura # 4: Diagrama de los reactores R-3601 A/B/C.


La capacidad del catalizador disminuye con el tiempo de operación, debido a

esto será necesario un aumento progresivo de la temperatura de entrada a los

reactores, el catalizador deberá ser cambiado después de un tiempo de operación.

Los reactores están equipados con líneas de interconexión para hacer posible las

siguientes combinaciones:

– R-3601 A - R-3601 B

– R-3601 A - R-3601 C

– R-3601 B - R-3601 C

En este caso será necesario aumentar las temperaturas de entrada para poder

efectuar la hidrogenación con dos reactores solamente.

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2.5. BASES TEÓRICAS

Hidrocarburos

Según los autores Morrison y Boyd (1998) son los compuestos orgánicos más

simples y pueden ser considerados como las sustancias principales de las que se

derivan todos los demás compuestos orgánicos. Los hidrocarburos se clasifican en dos

grupos principales, de cadenas abiertas y cíclicas. En los compuestos de cadena

abierta que contienen más de un átomo de carbono, los átomos de carbono están

unidos entre sí formando una cadena lineal que puede tener una o más ramificaciones.

En los compuestos cíclicos, los átomos de carbono forman uno o más anillos cerrados.

Los dos grupos principales se subdividen según su comportamiento químico en

saturados e insaturados.

Alcanos

Para los autores Morrison y Boyd (1998) los hidrocarburos saturados de cadena

abierta, forman un grupo homólogo denominado alcanos o parafinas. La composición

de todos los miembros del grupo responde a la fórmula CnH2n+2, donde n es el número

de átomos de carbono de la molécula. Los cuatro primeros miembros del grupo son el

metano, CH4, el etano, C2H6, el propano, C3H8 y el butano, C4H10.

Todos los miembros alcanos son inertes, es decir, no reaccionan fácilmente a

temperaturas ordinarias con reactivos como los ácidos, los álcalis o los oxidantes. Los

primeros cuatro miembros del grupo son gases a presión y temperatura ambiente; los

miembros intermedios son líquidos, y los miembros más pesados son semisólidos o

sólidos.

El petróleo contiene una gran variedad de hidrocarburos saturados, y los

productos del petróleo como la gasolina, el aceite combustible, los aceites lubricantes y

la parafina consisten principalmente en mezclas de estos hidrocarburos que varían de

los líquidos más ligeros a los sólidos.

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Alquenos

Morrison y Boyd (1998) establecen que el grupo de los alquenos u olefinas está

formado por hidrocarburos de cadena abierta en los que existe un doble enlace entre

dos átomos de carbono.

La fórmula general del grupo es CnH2n, donde n es el número de átomos de

carbono. Al igual que los alcanos, los miembros más bajos son gases, los compuestos

intermedios son líquidos y los más altos son sólidos. Los compuestos del grupo de los

alquenos son más reactivos químicamente que los compuestos saturados. Reaccionan

fácilmente con sustancias como los halógenos, adicionando átomos de halógeno a los

dobles enlaces.

Estos no se encuentran en los productos naturales, pero se obtienen en la

destilación destructiva de sustancias naturales complejas, como el carbón, y en grandes

cantidades en las refinerías de petróleo, especialmente en el proceso de craqueo. El

primer miembro de la serie es el eteno, C2H4.

Los dienos contienen dos dobles enlaces entre las parejas de átomos de carbono

de la molécula. Están relacionados con los hidrocarburos complejos del caucho o hule

natural y son importantes en la fabricación de caucho y plásticos sintéticos. Son

miembros importantes de esta serie el butadieno, C4H6, y el isopreno, C5H8.

Alquinos

De acuerdo con Morrison y Boyd (1998) los miembros del grupo de los alquinos

contienen un triple enlace entre dos átomos de carbono de la molécula. Son muy

activos químicamente y no se presentan libres en la naturaleza. Forman un grupo

análogo al de los alquenos. El primero y más importante de los miembros del grupo es

el etino, C2H2.

La fórmula general del grupo es CnHn donde n es el número de átomos de

carbono.

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Hidrógeno

Según el autor Rayner –Canham (2000), el hidrógeno es un elemento químico no

metálico, gas incoloro e insípido, catorce veces más ligero que el aire, que entra en la

composición de muchas sustancias orgánicas y que forma el agua al combinarse con

oxígeno; en estos momentos es uno de los candidatos a sustituir a combustibles fósiles

como el petróleo y el carbón, que algún día se acabarán.

A diferencia de estos, el hidrógeno tiene la ventaja de que al quemarse produce

energía sin desprender dióxido de carbono (CO2), sino vapor de agua, resultando

mucho menos contaminante.

Aplicaciones del Hidrógeno

El empleo más importante del hidrógeno es en la síntesis del amoniaco. La

utilización del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de refinación

del petróleo, como el rompimiento por hidrógeno (hydrocracking), y en el tratamiento

con Hidrógeno para eliminar azufre.

Se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de

aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. La hidrogenación se

utiliza en la manufactura de productos químicos orgánicos y grandes cantidades de

hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o

flúor, y como un propulsor de cohetes.

A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia poco reactiva a menos

que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un catalizador adecuado. A

temperaturas elevadas es muy reactivo.

Temperatura

Peter Atkins (1993), en su tomo principios de Ingeniera Química, desarrolla que

la temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor o frío, por lo

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general un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor. Físicamente es una

magnitud escalar dada por una función creciente del grado de agitación de las

partículas de los materiales. A mayor agitación, mayor temperatura.

Así, en la escala microscópica, la temperatura se define como el promedio de la

energía de los movimientos de una partícula individual por grado de libertad. Hay tres

escalas comúnmente usadas para medir la temperatura: la escala Fahrenheit (°F), la

escala Celsius (°C) y la escala Kelvin (°K). Cada una de estas escalas usa una serie de

divisiones basadas en diferentes puntos de referencia

Presión

Van Wylen (2003) expone que para definir la presión se debe recurrir a la noción

más elemental de la fuerza. La presión es la magnitud física que mide la fuerza por

unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza

resultante sobre una superficie. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se

mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una

fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado.

Flujo

Una situación que comúnmente se encuentra en la industria petroquímica es el

transporte simultáneo de un fluido en forma bifásica. La operación bajo esta condición

de flujo puede afectar el desempeño de equipos originalmente para diseñar una sola

fase, cabe además resaltar que para situaciones donde se requiera llevar a cabo un

balance de materia tomando en cuanta el principio de la conservación de masas, es

necesario considerar los flujos o corrientes que intervienen en el proceso.

El autor David Himmelblau (2002), afirma que uno de los principios básicos del

flujo compresible es que la densidad de un gas cambia cuando se ve sometido a

grandes cambios de velocidad y presión. Al mismo tiempo, su temperatura también

cambia, lo que lleva a problemas de análisis más complejos. El comportamiento de flujo

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49

de un gas compresible, depende de si la velocidad de flujo es mayor o menor que la

velocidad del sonido. El sonido es la propagación de una pequeña perturbación u onda

de presión, dentro de un fluido.

En opinión del autor Van Wylen (2004). “El análisis puntual del flujo en un

proceso esta orientado a establecer su comportamiento, lo que permitirá conocer a

detalle lo que ocurre en cada punto. En base en esto se podrá conocer la distribución

espacial y temporal de las variables que definen el comportamiento del fluido como lo

son la presión, velocidad, masa especifica, entre otra”.

Transferencia de Calor

Según Cengel (1998). “La transferencia de calor es el proceso por el cual tiene

lugar el transporte de la energía, lo que esta en transito, llamado calor, no puede ser

medido u observado directamente, pero los efectos que producen son posibles de

observar y medir”. Desde el punto de vista de ingeniería, la determinación de la rapidez

de la transferencia de calor a una diferencia de temperatura especificada constituye el

problema principal en todos los casos, es por ello que se deben estimar los costos, la

factibilidad y el tamaño del equipo necesario para transferir una cantidad especificada

de calor al sistema.

Reacción Química

Según los autores Denbigh, K.G., Turner, J.C.R (1990), se conoce como reacción

química a aquella operación unitaria que tiene por objeto distribuir de forma distinta los

átomos de ciertas moléculas (compuestos reaccionantes o reactantes) para formar

otras nuevas (productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas

se denominan reactor químico.

Los factores que hay que tener en cuenta a la hora de llevar a cabo o desarrollar

una reacción química son:

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50

– Condiciones de presión, temperatura, y composición necesarias para que los

materiales entren en estado de reacción.

– Las características termodinámicas y cinéticas de la reacción

– Las fases (sólido, líquido, gaseoso) que se encuentran presentes en la

reacción.

– Formas de cambios químicos:

– Descomposición, consiste en que una molécula se divide en moléculas más

pequeñas, átomos o radicales.

– Combinación, ésta se realiza cuando una molécula o átomo se une con otra

especie para formar un compuesto nuevo.

– Isomerización, en este caso la molécula no efectúa ninguna descomposición

externa o adición a otra, es simplemente un cambio de configuración estructural

interna.

Clases de Reacciones Químicas

Reacciones homogéneas: cuando se afecta solamente una fase, ya sea

gaseosa, sólida, o líquida.

Reacciones heterogéneas: cuando se requiere la presencia de al menos dos

fases para que tenga lugar la reacción a una velocidad deseada.

Reacciones enzimáticas: utilizan catalizadores biológicos (proteínas con alto

peso molecular, con centros activos, y que trabajan a bajas temperaturas)

Reacciones catalíticas: son aquellas reacciones que requieren de una sustancia

adicional (que no aparece en el balance global) para modificar la velocidad de reacción;

esta sustancia por su mera presencia provoca la reacción química, reacción que de otro

modo no ocurriría.

Reacciones no catalíticas: los materiales reactantes no necesitan ninguna

sustancia adicional para dar lugar a la reacción química

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51

Reacciones autocatalí0ticas: en esta reacción, uno de los productos formados

actúa como catalizador, participando en otra etapa del proceso donde velocidad de

reacción es más rápido que en la primera.

Reacciones endotérmicas: son aquellas que adsorben calor del exterior.

Reacciones exotérmicas: son aquellas que liberan calor hacia el exterior.

Oligómero

Según Nicholson (2006) una molécula constituye un oligómero cuando los

radicales asociados son distintos entre sí. La naturaleza orgánica esta llena de estos

casos multifuncionales. En cambio, un polímero es una molécula con dos o más

radicales de la misma especie. Un grupo de 3 a 9 moléculas de monómero que se han

unido entre sí para formar una molécula más grande. Pueden ser dímeros, trímeros,

tetrámeros, pentámeros, etc.

Catálisis

V.J. Inglezakis & S.G. Poulopoulos concretan la catálisis como el proceso a

través del cual se incrementa la velocidad de una reacción química. El proceso de

catálisis implica la presencia de una sustancia que, si bien es cierto, es parte del

sistema en reacción, la misma se puede llevar a cabo sin la primera. Ésta sustancia se

llama catalizador. Un catalizador es una sustancia (compuesto o elemento) capaz de

acelerar (catalizador positivo) o retardar (catalizador negativo o inhibidor) una reacción

química, permaneciendo éste mismo inalterado (no se consume durante la reacción).

Los catalizadores no alteran el balance energético final de la reacción química,

sino que sólo permiten que se alcance el equilibrio con mayor o menor velocidad.

Muchos de los catalizadores actúan alterando superficies permitiendo encontrarse y

unirse o separarse a dos o más reactivos químicos.

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52

El catalizador, por definición, no cambia su concentración durante la reacción de

catálisis (la reacción intermedia que reduce la energía de activación. Sin embargo, es

posible que sí participe en la reacción global, y se habla entonces de una reacción

autocatalítica.

La velocidad de reacción depende de las velocidades de los pasos del

mecanismo. La función del catalizador es simplemente proveer un mecanismo adicional

(ruta diferente) para ir de reactivos a productos. Este mecanismo de alternativa tiene

una energía de activación menor que el mecanismo en ausencia de catalizador.

La catálisis puede ser de dos tipos:

Homogénea: el catalizador y el reactivo están en una misma fase, por ejemplo,

en solución acuosa. Es el caso de la catálisis ácido-base y la catálisis enzimática.

Heterogénea: el catalizador y reactivo se encuentran en distintas fases, como por

ejemplo, la catálisis heterogénea de una reacción entre sustancias gaseosas

adsorbidas en la superficie de metal.

Hidrogenación

Es una reacción que implica la combinación de hidrógeno con ciertos

compuestos orgánicos no saturados, especialmente con los hidrocarburos.

Los compuestos orgánicos no saturados tienen como mínimo un par de átomos

de carbono unidos por un doble o un triple enlace. Al tratar un compuesto no saturado

con hidrógeno a la temperatura adecuada y en presencia de un catalizador, como por

ejemplo níquel, platino o paladio finamente dividido, el enlace múltiple entre los átomos

de carbono se rompe y a cada átomo de carbono se une con un átomo de hidrógeno.

Por ejemplo, al hidrogenar el etino (C2H2) se obtiene eteno (C2H4).

La hidrogenación se usa también con moléculas más complicadas, obteniéndose

gran variedad de productos sintéticos importantes en el laboratorio y en la industria.

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Teoría de la hidrogenación selectiva

La hidrogenación selectiva de acetilenos, olefinas y dienos sobre catalizadores,

esta controlada por un mecanismo de adsorción y desorción.

La secuencia de adsorción y de hidrogenación de los compuestos principales es:

– Acetileno

– Metil acetileno

– Propadieno

– Butadieno

– Etileno

Se define como hidrogenación selectiva, la transformación de los cuatro primeros

compuestos a olefinas, evitando la hidrogenación del etileno presente en la corriente

de gas de proceso.

La selectividad se controla por la presencia de monóxido de carbono (CO), el

cual se adsorbe entre el butadieno y el etileno. Esto significa que el CO adsorbido sobre

el catalizador es fácilmente desplazado de los sitios activos por los cuatro primeros

compuestos, mientras que difícilmente lo hace el etileno, lográndose así la

hidrogenación de los acetilenos y dienos, impidiéndose la del etileno, pudiéndose

obtener ganancias de éste con un buen control de la operación.

Si los niveles de CO se incrementan excesivamente, habrá una mayor cantidad

de sitios activos ocupados por él y será más difícil hidrogenar las pocas moléculas de

acetileno y por lo tanto, obtener la especificación de (<1 ppm) a la salida del tercer

reactor. En este caso, si se incrementa la temperatura de entrada a los reactores, se

adsorberá menos CO en los sitios activos y por lo tanto estarán disponibles para que las

moléculas de acetileno se adsorban y se hidrogenen.

Si el incremento de temperatura es excesivo y rápido, se favorece la

hidrogenación de etileno, desplazando el acetileno de los sitios activos y se favorece la

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probabilidad de no lograrse la especificación de salida requerida (<1 ppm). La

hidrogenación de etileno, conlleva a una gran generación de calor a través de los lechos

y por lo tanto, la diferencia de temperatura en cada uno de los reactores se hace muy

alta, con situaciones potenciales de incremento descontrolado de temperaturas

(“Runaway”).

De todo lo anterior se concluye con una regla básica si se mantiene la

concentración de CO en los niveles recomendados:

Una hidrogenación selectiva puede obtenerse solamente ajustando las

temperaturas de entrada a cada reactor y controlando la diferencia de temperatura a

través de cada uno de ellos.

Reactor Químico

Froment, G.F., Bischoff, K.B. (1990) definen que un reactor químico es una

unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias

reacciones químicas. Dicha unidad procesadora esta constituida por un recipiente

cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y esta

gobernado por un algoritmo de control.

Los reactores químicos tienen como funciones principales:

– Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del

tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.

– Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el

catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción.

– Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la

reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los

aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

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Tipos de reactores químicos

Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las

necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes, más

conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes:

Reactor discontinuo: es aquel en donde no entra ni sale material durante la

reacción, sino mas bien, al inicio del proceso se introducen los materiales, se lleva a las

condiciones de presión y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo

preestablecido, luego se descargan los productos de la reacción y los reactantes no

convertidos. También es conocido como reactor tipo batch.

Reactor continúo: tiene lugar la reacción química al interior del reactor, éste se

alimenta constantemente de material reactante, y también se retira ininterrumpidamente

los productos de la reacción.

Reactor semicontinuo: es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo

el reactor, y a medida que tiene lugar la reacción, se va retirando productos y también

incorporando más material de manera casi continúa.

Reactor tubular: en general es cualquier reactor de operación continua, con

movimiento constante de uno o todos los reactivos en una dirección espacial

seleccionada, y en el cual no se hace ningún intento por inducir al mezclado. Tienen

forma de tubos, los reactivos entran por un extremo y salen por el otro.

Tanque con agitación continúa: este reactor consiste en un tanque donde hay un

flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material

que ha reaccionado. la agitación del contenido es esencial, debido a que el flujo interior

debe estar en constante circulación y así producir una mezcla uniforme.

Reactor de lecho fluidizado: se utiliza para reacciones donde intervengan un

sólido y un fluido (generalmente un gas). en estos reactores la corriente de gas se hace

pasar a través de las partículas sólidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas,

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con el movimiento rápido de partículas se obtiene un alto grado de uniformidad en la

temperatura evitando la formación de zonas calientes.

Reactor de lecho fijo: los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos

empacados con partículas de catalizador, que operan en posición vertical. las partículas

catalíticas pueden variar de tamaño y forma: granulares, cilíndricas, esféricas, etc. en

algunos casos, especialmente con catalizadores metálicos como el platino, no se

emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre.

El lecho está constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas

catalíticas se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la oxidación de

amoniaco y para la oxidación del acetaldehídico a ácido acético.

Reactor de lecho con escurrimiento: en estos reactores el catalizador sólido está

presente como en el lecho fijo. los reactivos se hacen pasar en corrientes paralelas o a

contracorriente a través del lecho.

Reactor de lecho de carga móvil: una fase fluida pasa hacia arriba a través de un

lecho formado por sólidos. el sólido se alimenta por la parte superior del lecho, se

mueve hacia debajo de la columna y se saca por la parte inferior.

Reactor de burbujas: permiten hacer burbujear un reactivo gaseoso a través de

un líquido con el que puede reaccionar, porque el líquido contiene un catalizador

disuelto, no volátil u otro reactivo. El producto se puede sacar del reactor en la corriente

gaseosa.

Reactor con combustible en suspensión: son similares a los reactores de

burbujeo, pero la fase “líquida” esta formada por una suspensión de líquidos y partículas

finas del catalizador sólido.

Reactor de mezcla perfecta: en este reactor las propiedades no se modifican ni

con el tiempo ni con la posición, ya que suponemos que estamos trabajando en estado

de flujo estacionario y la mezcla de reacción es completamente uniforme. el tiempo de

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mezcla tiene que ser muy pequeño en comparación con el tiempo de permanencia en el

reactor. En la práctica se puede llevar a cabo siempre que la mezcla fluida sea poco

viscosa y esté bien agitada.

Reactores de recirculación: pueden ser con dispositivo separador, cuando se

toma parte de la corriente de salida y se llevan directamente a la entrada del reactor. sin

dispositivo separador, cuando en la salida del reactor colocamos un dispositivo

separador que hace que se separen reactivos y productos, luego los reactivos se

recirculan de nuevo al reactor.

Reactores de membrana: son aquellos que combinan la reacción y la separación

en una sola unidad; la membrana selectivamente remueve una (o más) de las especies

reactantes o productos.

Estos reactores han sido comúnmente usados para aplicaciones en las cuales

los rendimientos de la reacción están limitados por el equilibrio.

También han sido propuestos y usados para otras aplicaciones; para incrementar

el rendimiento y la selectividad de reacciones enzimáticas y catalíticas influyendo a

través de la membrana sobre la concentración de una (o más) especies intermedias,

removiéndolas selectivamente (o ayudando a mantenerlas en una concentración baja),

evitando la posibilidad de que dichos compuestos envenenen o desactiven el

catalizador y para proveer una interfase controlada entre dos o más reactantes.

Fermentadores: este tipo de reactores utilizan hongos, los cuales forman un

cultivo, el cual a su vez se transforma en una “sopa” espesa que contiene crecimientos

filamentosos. Un ejemplo se encuentra en la fabricación de antibióticos como la

penicilina.

Reactor trickle bed: este tipo de reactor supone la existencia de un flujo continuo

de gas y otro de líquido hacia abajo sobre un lecho fijo de partículas sólidas catalíticas,

las características de las partículas sólidas y de su empaquetamiento, junto con los

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caudales y propiedades de las dos corrientes de fluidos determinarán el régimen de

flujo del reactor y también sus propiedades fluido-dinámicas.

También se pueden mencionar los reactores isotérmicos, que son aquellos que

trabajan u operan a una misma temperatura constante; y también los reactores

ISOBÁRICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma presión constante.

Adsorción

Según Mc Cabe, Smith y Harriot (1998) las operaciones de adsorción explotan la

capacidad especial de ciertos sólidos para hacer que sustancias específicas de una

solución se concentren en la superficie del mismo. De esta forma, pueden separarse

unos de otros los componentes de soluciones gaseosas o líquidas. En el campo de las

separaciones gaseosas, la adsorción se utiliza para deshumidificar aire y otros gases,

para eliminar olores e impurezas desagradables de gases industriales como dióxido de

carbono, para recuperar vapores valiosos de disolvente a partir de mezclas diluidas con

aire y otros gases y para fraccionar mezclas de gases de hidrocarburos que contienen

sustancias como metano, etileno, etano, propileno y propano.

Adsorbedores de lecho fijo

Mc Cabe, Smith y Harriot (1998) deducen que las partículas de adsorbente se

colocan en un lecho de 0,3 a 1,2 m de espesor soportado sobre un matiz o placa

perforada. La alimentación gaseosa circula en sentido descendente a través de uno de

los lechos mientras que el otro se encuentra en regeneración.

El flujo descendente es preferible debido a que el flujo ascendente a velocidades

elevadas puede dar lugar a la fluidización de las partículas, lo que provoca colisiones y

formación de tinos. Cuando la concentración de soluto en el gas de salida alcanza un

cierto valor, o bien para un tiempo previamente establecido, se accionan

automáticamente las válvulas con el fin de dirigir la alimentación al otro lecho e iniciar la

secuencia de regeneración. La regeneración puede realizarse con gas inerte caliente,

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pero generalmente es preferible utilizar vapor de agua cuando el disolvente no es

miscible con agua. El vapor de agua condensa en el lecho aumentando la temperatura

del sólido y suministrando la energía necesaria para la desorción.

El disolvente se condensa, se separa del agua y, con frecuencia, se seca antes

de su reutilización. El lecho puede entonces enfriarse y secarse con un gas inerte, no

siendo necesario disminuir la temperatura de todo el lecho hasta la temperatura

ambiente. Si el gas limpio puede tolerar algo de vapor de agua, la evaporación de agua

durante el ciclo de adsorción ayudará a enfriar el lecho y a eliminar parcialmente el calor

de adsorción.

El tamaño del lecho adsorbente está determinado por la velocidad de flujo de

gas y por el tiempo de ciclo deseado. El área de la sección transversal se calcula

generalmente de tal forma que se obtenga una velocidad superficial de 0,15 a 0,45 m/s,

que da lugar a una caída de presión de pocas pulgadas de agua por pie de lecho

cuando se utilizan adsorbentes típicos (4 x 10 mallas o 6 x 16 mallas). Para velocidades

de flujo muy grandes puede instalarse un lecho rectangular en la parte central de un

cilindro horizontal en vez de utilizar un tanque vertical con un diámetro mucho mayor

que el espesor del lecho.

El espesor de lecho y la velocidad de flujo generalmente se seleccionan para

proporcionar un ciclo de adsorción de 2 a 24 h. Utilizando un lecho más largo se puede

ampliar el ciclo de adsorción a varios días pero la mayor caída de presión y la mayor

inversión necesaria harán la operación probablemente antieconómica.

Algunas veces se recomienda un espesor de lecho de solamente 1 pie para

disminuir la caída de presión y el tamaño del adsorbedor, pero los lechos de poca

longitud no producen una separación completa y requieren más energía para la

regeneración.

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Adsorbedores de tanque agitado

Para Mc Cabe, Smith y Harriot (1998) un método alternativo para el tratamiento

de aguas residuales consiste en añadir carbón en polvo a un tanque con la disolución,

utilizando agitadores mecánicos e inyectores de aire para mantener las partículas en

suspensión. Con partículas finas la adsorción es mucho más rápida que con carbón

granular, pero en cambio se requiere un equipo de gran tamaño para separar, por

sedimentación o filtración, el carbón agotado. El tratamiento con carbón en polvo puede

realizarse por cargas, o también de forma continua añadiendo una determinada

cantidad de carbón a la corriente residual y retirando continuamente el carbón agotado.

Adsorbedores continuos

Mc Cabe, Smith y Harriot (1998) revelan que la adsorción a partir de gases o

líquidos puede realizarse de forma realmente continua haciendo circular el sólido a

través del lecho en contracorriente con el flujo del fluido. Las partículas sólidas

descienden por gravedad, haciéndolas retornar después a la parte superior de la

columna mediante un sistema de elevación con aire o de forma mecánica. Con

partículas finas se puede utilizar un lecho con placas deflectoras o etapas múltiples para

prevenir la mezcla desde un extremo a otro. El «hypersorber» es un adsorbedor de

lecho fluido de múltiple etapa construido como una columna de destilación, pasando los

sólidos fluidizados de una etapa a otra a través de tubuladuras de descenso. Se han

construido algunos adsorbedores y columnas de intercambio de ion que operan en

contracorriente, y puesto que tales esquemas conducen a una más eficaz utilización del

sólido, es previsible que encuentren un uso creciente, especialmente en grandes

instalaciones.

Adsorbentes y procesos de adsorción

De acuerdo con Mc Cabe, Smith y Harriot (1998) la mayor parte de los

adsorbentes son materiales altamente porosos y la adsorción tiene lugar

fundamentalmente en el interior de las partículas sobre las paredes de los poros en

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puntos específicos. Puesto que los poros son generalmente muy pequeños, el área de

la superficie interna es varios órdenes de magnitud superior al área externa y puede

alcanzar valores tan elevados como 2000 m’/g.

La separación se produce debido a que diferencias de peso molecular o de

polaridad dan lugar a que algunas moléculas se adhieren más fuertemente a la

superficie que otras. En muchos casos el componente que se adsorbe (adsorbato) se

fija tan fuertemente que permite una separación completa de dicho componente desde

un fluido sin apenas adsorción de otros componentes.

El adsorbente puede regenerarse con el fin de obtener el adsorbato en forma

concentrada o prácticamente pura. Las aplicaciones de la adsorción en fase vapor

incluyen la recuperación de disolventes orgánicos utilizados en pinturas, tintas de

imprenta, y disoluciones para formación de películas y recubrimientos de esmaltes.

El aire cargado de disolvente puede enviarse primeramente a un condensador

enfriado con agua o con un fluido criogénico con el fin de retirar parte de disolvente, si

bien generalmente no resulta adecuado enfriar el gas a temperaturas inferiores a la

temperatura ambiente. El aire, con una pequeña cantidad de disolvente, se hace pasar

a través de un lecho de partículas de carbón adsorbente, lo que puede reducir la

concentración de disolvente hasta concentraciones inferiores a 1 ppm.

La concentración final puede estar establecida por normas gubernamentales de

emisión en lugar de por criterios económicos de recuperación del disolvente. También

se utiliza la adsorción sobre carbón para separar contaminantes tales como H2S, CS2 y

otros compuestos con mal olor, del aire que circula en sistemas de ventilación, y en una

gran mayoría de los nuevos automóviles se colocan cartuchos de carbón para evitar el

paso de los vapores de gasolina al aire.

El secado de gases se lleva a cabo con frecuencia adsorbiendo el agua sobre gel

de sílice, alúmina u otros sólidos inorgánicos porosos. Las zeolitas, o tamices

moleculares, que son aluminosilicatos, naturales o sintéticos, con una estructura de

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poro muy regular, resultan especialmente eficaces para la preparación de gases con

bajos puntos de rocío (-75°C).

La adsorción sobre tamices moleculares puede utilizarse para separar oxígeno y

nitrógeno, para preparar hidrógeno puro a partir de gas de síntesis, así como para

separar parafinas normales de parafinas ramificadas y aromáticos.

La adsorción a partir de una fase líquida se utiliza para separar componentes

orgánicos de aguas residuales, impurezas coloreadas de disoluciones de azúcar y

aceites vegetales, así como también agua de líquidos orgánicos. La adsorción se utiliza

también para recuperar productos de reacción que no son fácilmente separables por

destilación o cristalización.

Algunos tipos de sólidos se utilizan indistintamente para adsorción en fase de

vapor y en fase líquida, si bien los adsorbentes con mayor tamaño de poro son

preferibles para el caso de líquidos.

Termogravimetría (TGA)

Skoog, Douglas A., Holler, James y Nieman, Timothy A. (2001), establecen que

los análisis térmicos engloban al conjunto de técnicas analíticas que estudian el

comportamiento térmico de los materiales. Cuando un material es calentado o enfriado,

su estructura y su composición química sufren cambios: fusión, solidificación,

cristalización, oxidación, descomposición, transición, expansión, sinterización, etc.

Estas transformaciones se pueden medir, estudiar y analizar calculando la variación de

distintas propiedades de la materia en función de la temperatura.

Vincent, Alvarez y Zaragoza (2006) explican que la termogravimetría es una

técnica mediante la cual una muestra se pesa continuamente a medida que se calienta

a una velocidad controlada. La variación de peso frente a la temperatura da lugar a una

curva, denominada termograma, que proporciona información acerca de la estabilidad

térmica y composición de la muestra original, la composición y estabilidad de los

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compuestos intermedios y la composición del residuo. Cada material tiene su

termograma correspondiente, lo cual permite su identificación.

Espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier (FTIR)

Poole, Owens (2007) especifican que la forma clásica de utilizar la

espectroscopia infrarroja es la de escanear la frecuencia de la luz incidente para que el

detector pueda registrar los cambios producidos en la intensidad de la luz a aquellas

frecuencias en las que la muestra absorbe la energía.

Una gran desventaja de este método es que el detector registra información útil

sólo mientras el barrido está pasando entre las de absorción, mientras que la mayor

parte del tiempo se invierte en el barrido entre líneas y el detector registra nada.

Para suplir esta deficiencia, los espectrómetros infrarrojos modernos irradian la

muestra con una amplia banda de frecuencias de forma simultánea y entonces realizan

un análisis matemático de las señalas resultantes, llamado transformada de Fourier,

para convertir la señal detectada nuevamente en la forma clásica del espectro. La señal

resultante se llama espectro de transformada de Fourier (FTIR).

Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente (ICP)

Baird, Seymour y Carraher (2001) deducen que en el caso de este análisis, la

fuente de excitación es un plasma a temperatura muy elevada. La luz de una muestra

de átomos inyectados en el plasma es recogida mediante lentes y espejos y focalizada

sobre una rejilla de difracción. Esta rejilla separa las longitudes de onda individuales (tal

como lo hace un prisma) y focaliza la luz en un tubo fotomultiplicador (TFM), el cual

convierte la luz en señales electrónicas. Las longitudes de onda de la luz son

específicas de los elementos en el plasma que emiten los fotones, y la intensidad de la

luz, medida por el TFM, da la concentración del elemento presente en la muestra.

La identidad atómica y su cantidad son los parámetros que pueden determinarse

si se utiliza como herramienta analítica en análisis de muestras inorgánicas.

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Microscopia electrónica de barrido (MEB)

Para Callister (2002) el microscopio electrónico de barrido (MEB) es un

instrumento que permite la observación y caracterización superficial de materiales

inorgánicos y orgánicos, entregando información morfológica del material analizado. A

partir de él se producen distintos tipos de señal que se generan desde la muestra y se

utilizan para examinar muchas de sus características.

Con él se pueden realizar estudios de los aspectos morfológicos de zonas

microscópicas de los distintos materiales con los que trabajan los investigadores de la

comunidad científica y las empresas privadas, además del procesamiento y análisis de

las imágenes obtenidas.

Las principales utilidades del MEB son la alta resolución (~100 Å), la gran

profundidad de campo que le da apariencia tridimensional a las imágenes y la sencilla

preparación de las muestras.

Separadores de ciclón Perry y Green (1999) señalan que el equipo de recolección de polvo que se

emplea con mayor frecuencia es el ciclón, en el cual el gas cargado de polvo penetra

tangencialmente en una cámara cilíndrica o cónica, en uno o más puntos, y sale de la

misma a través de una abertura central. En virtud de su inercia, las partículas de polvo

se desplazan hacia la pared exterior del separador, desde la cual son conducidas a un

receptor.

El ciclón es esencialmente una cámara de sedimentación en que la aceleración

gravitacional se sustituye con la aceleración centrifuga. En las condiciones de operación

utilizadas comúnmente, la fuerza o aceleración centrifuga de separación varia de cinco

veces la gravedad en los ciclones de baja resistencia y diámetro muy grande, hasta

2500 veces la gravedad en las unidades muy pequeñas de alta resistencia. La entrada

inmediata a un ciclón es casi siempre rectangular.

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Echeverri, Carlos (2006) afirma que los ciclones constituyen uno de los medios

menos costosos de recolección de polvo, tanto desde el punto de vista de operación

como de la inversión. Estos son básicamente construcciones simples que no cuentan

con partes móviles, lo cual facilita las operaciones de mantenimiento; pueden ser

hechos de una amplia gama de materiales y pueden ser diseñados para altas

temperaturas (que ascienden incluso a 1,000 °C) y presiones de operación.

Figura # 5: Mecanismos de colección de partículas en un ciclón.

Fuente: Echeverri (2006).

Los ciclones son adecuados para separar partículas con diámetros mayores de 5

μm; aunque partículas muchos más pequeñas, en ciertos casos, pueden ser separadas.

La fuerza centrífuga generada por los giros del gas dentro del ciclón puede ser

mucho mayor que la fuerza gravitacional, ya que la fuerza centrífuga varía en magnitud

dependiendo de la velocidad de giro del gas y del radio de giro.

Teóricamente el aumento de la velocidad de entrada al ciclón implicaría un

aumento de la fuerza centrífuga y por lo tanto un aumento de la eficiencia, sin embargo

velocidades de entrada muy altas generan la resuspensión de material particulado de

las paredes internas del ciclón, lo cual disminuye la eficiencia del ciclón; adicionalmente

aumentar la velocidad de entrada implica mayor consumo de energía.

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Principio de funcionamiento

En un ciclón, la trayectoria del gas comprende un doble vórtice, en donde el gas

dibuja una espiral descendente en el lado externo y ascendente en el lado interno. En

un ciclón el gas entra en la cámara superior tangencialmente y desciende en espirales

hasta el ápice de la sección cónica; luego asciende en un segundo espiral, con diámetro

más pequeño, y sale por la parte superior a través de un ducto vertical centrado. Los

sólidos se mueven radialmente hacia las paredes, se deslizan por las paredes, y son

recogidos en la parte inferior.

Figura # 6: Vórtices en el ciclón.

Fuente: Echeverri (2006).

El diseño apropiado de la sección cónica del ciclón obliga al cambio de dirección

del vórtice descendente, el vórtice ascendente tiene un radio menor, lo que aumenta las

velocidades tangenciales; en el cono se presenta la mayor colección de partículas,

especialmente de las partículas pequeñas al reducirse el radio de giro.

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Familia de ciclones

Los ciclones son un dispositivo de control de material particulado bastante

estudiado, el diseño de un ciclón se basa normalmente en familias de ciclones que

tienen proporciones definidas.

Las principales familias de ciclones de entrada tangencial son:

– Ciclones de alta eficiencia.

– Ciclones convencionales.

– Ciclones de alta capacidad.

Los márgenes de la eficiencia de remoción para los ciclones, están con

frecuencia basados en las tres familias de ciclones, es decir, convencional, alta

eficiencia y alta capacidad.

Los ciclones de alta eficiencia están diseñados para alcanzar mayor remoción de

las partículas pequeñas que los ciclones convencionales. Los ciclones de alta eficiencia

pueden remover partículas de 5 μm con eficiencias hasta del 90%, pudiendo alcanzar

mayores eficiencias con partículas más grandes.

Los ciclones de alta eficiencia tienen mayores caídas de presión, lo cual requiere

de mayores costos de energía para mover el gas sucio a través del ciclón. Por lo

general, el diseño del ciclón está determinado por una limitación especificada de caída

de presión, en lugar de cumplir con alguna eficiencia de control especificada.

Los ciclones de alta capacidad están garantizados solamente para remover

partículas mayores de 20 μm, aunque en cierto grado ocurra la colección de partículas

más pequeñas. Se ha reportado que los multiciclones han alcanzado eficiencias de

recolección de 80 a 95 % para partículas de 5 μm.

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Figura # 7: Dimensiones del ciclón

Fuente: Echeverri, Carlos (2006)

Diámetro del ciclón: Dc/Dc

Altura de entrada: a/Dc

Ancho de entrada: b/Dc

Altura de salida: S/Dc

Diámetro de salida: Ds/Dc

Altura parte cilíndrica: h/Dc

Altura parte cónica: z/Dc

Altura total del ciclón: H/Dc

Diámetro salida partículas: B/Dc

Factor de configuración: G

Nº de cabezas de velocidad: NH

Número de vórtices: N

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2.6. SISTEMA DE VARIABLES

Variable

Parámetros operacionales del reactor.

Definición conceptual

Los parámetros operacionales que rigen el reactor son:

Presión diferencial: el control de la presión en los procesos industriales origina

condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión

máxima de operación, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones

excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede

provocar la del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas,

particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos.

Temperatura: la temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes

de calor o frío, por lo general un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor.

Físicamente es una magnitud escalar dada por una función creciente del grado de

agitación de las partículas de los materiales. A mayor agitación, mayor temperatura.

Conversión: cuando en el sistema se efectúa una sola reacción química la

definición de conversión permite reducir los balances de masa a una sola ecuación. La

cantidad y concentraciones de las especies químicas que participan en la reacción se

expresan en función de la conversión, variable que indica el progreso de la reacción.

Definición operacional

Los parámetros operacionales con los que ha venido trabajando el reactor no son

los más adecuados ya que dos de ellos (temperatura y presión diferencial) se

encuentran fuera de especificación. Todo esto es una consecuencia de las impurezas

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retenidas dentro del reactor. Es por ello que debe realizarse una mejora en dichos

parámetros para hacer que el reactor opere bajo sus condiciones de especificación.

Cuadro de variables

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2.6. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS

Edgar Chirinos (1991) definió los siguientes conceptos a través del manual de

operaciones de la planta Olefinas II:

Acetileno

El acetileno o etino es el alquino más sencillo. Es un gas, altamente inflamable,

un poco más ligero que el aire e incoloro. Produce una llama de hasta 3.000º C, la

mayor temperatura por combustión hasta ahora conocida.

Agua de calderas

Es una mezcla de agua desmineralizada y condensaos de vapor puro

recolectados en la misma planta. Esta corriente es la alimentación principal del

desareador.

Agua de enfriamiento

Agua de servicio tratado con aditivos químicos, anticorrosivos, dispersantes,

biocidas, control de pH, formadores de películas protectoras, etc. El calor de agua es

removido con ventiladores de tiro inducido colocados en la parte superior de la torre de

enfriamiento.

Agua de servicio

Agua filtrada proveniente del embalse de hidrolago. Estas son aguas

provenientes de ríos.

Cavitación

Emulsificación producida por la disrupción de un líquido en un sistema bifásico

líquido-gas cuando la presión hidrodinámica del líquido es reducida a la presión de

vapor.

DERECHOS RESERVADOS


72

Coalescedor

Equipo o mecanismo que permite la separación de dos cuerpos líquidos con

diferentes densidades.

Condensación

Cambio de estado por un aumento de presión el cual va de vapor a líquido.

Craqueo térmico

Es el rompimiento de moléculas de propano y/o etano por acción del calor. El gas

obtenido por este método se denomina gas craqueado, gas de pirólisis o comúnmente

gas de proceso.

Depolimerización

Degradación de un material plástico o polimérico en el que las cadenas

moleculares rompen sus enlaces.

Domo

Tambor horizontal de las calderas y hornos de Pirólisis dobles, reservorio de

agua para la producción de agua de alto vapor.

Efluentes inorgánicos

Es el agua proveniente de las lagunas de neutralización del sistema de pulidores

de agua, y las purgas de la torre de enfriamiento.

Efluentes orgánicos

Son todas aquellas aguas que pueden estar contaminadas con hidrocarburos.

DERECHOS RESERVADOS


73

Etano

El etano, también llamado metilmetano es un hidrocarburo saturado, gaseoso en

condiciones normales de presión y temperatura.

Etano de alimentación

Es la materia prima a los hornos de pirólisis, esta constituida por una mezcla de

etano fresco y/o etano reciclo.

Etano fresco

Es el etano proveniente de las plantas LGN I/II, de la planta purificadora de etano

(PPE).

Etano reciclo

Es el etano que no sufre transformación en los hornos de pirólisis y

posteriormente es recuperado en el proceso mediante la torre fraccionadora

etileno/etano.

Etileno

El etileno o eteno es un compuesto químico orgánico formado por dos átomos de

carbono enlazados mediante un doble enlace.

Gas de cola

Es una mezcla de metano e hidrogeno obtenida como subproducto en el proceso

y es usado como gas combustible. El contenido de sus componentes esta influenciado

por la materia prima, ya sea etano o propano. Para el primer caso la concentración de

hidrogeno aumenta y la de metano disminuye, lo contrario ocurre cuando se alimenta a

los hornos con propano.

DERECHOS RESERVADOS


74

Gas de proceso

Es la mezcla de componentes provenientes de craqueo térmico del etano y/o

propano y continua con este nombre hasta que cada equipo separe las secciones

correspondientes. Ejemplo: el tope de la torre T-4301 es etileno y su fondo etano, el

tope de la torre T-5501 es propileno y su fondo propano.

Gasolina hidrogenada (PY-GAS)

Es la gasolina aromática compuesta básicamente por benceno, tolueno y xileno,

el cual previamente ha sido hidrotratada para saturar las olefinas y di-olefinas presentes

en la corriente.

Hidrogenador

Es el reactor donde ocurre la reacción de hidrogenación del acetileno contenido

en el gas de proceso.

Mercaptano

Los mercaptanos son derivados monosustituidos de sulfuro de hidrógeno.

Metano

Es un hidrocarburo gaseoso en estado natural, es un asfixiante simple, explosivo

cuando está expuesto al calor. Debe almacenarse en áreas ventiladas, lejos de fuentes

de ignición.

Nitrógeno

Es un elemento gaseoso, fisiológicamente inerte que constituye algo más del

78% de la composición del aire atmosférico.

DERECHOS RESERVADOS


75

Olefinas

Son hidrocarburos insaturados de la serie de los alquenos algunos. El etileno y el

propileno representan a esta serie.

Pirólisis

Es el sinónimo de craqueo térmico.

Porcentaje molar

Es la cantidad de moles de un componente en cien moles de gas.

PPM molar

Es la cantidad de moles de un componente en un millón de moles de gas.

Propano

El propano conocido también como dimetil propano, es un hidrocarburo saturado,

gaseoso en condiciones normales de presión y temperatura.

Propileno

Es un hidrocarburo insaturado, gaseoso en condiciones normales de presión y

temperatura.

Propano de reciclo

Es el propano que no sufre modificación en los hornos de pirólisis y

posteriormente es recuperado en el proceso mediante la torre fraccionadora de

propileno/propano.

DERECHOS RESERVADOS


76

Propano fresco

Es el propano proveniente de las plantas de LGN I/II, el tambor buffer D-9701 y

del tanque de almacenamiento 3101-F.

Refrigerante

Todo aquel líquido utilizado como medio de transferencia de calor, que por

condiciones operacionales de presión y temperatura específica, es capaz de absorber

calor.

Relación vapor/hidrocarburos

Es la cantidad (masas) proporcional que se inyecta de vapor a la materia prima,

sea etano o propano. Generalmente se usa la relación 1:3, o sea, una parte de vapor

por tres de hidrocarburo.

Serpentín

Consiste en un tubo enrollado en forma de espiral, el cual es utilizado para

intercambiar calor en equipos como hornos, intercambiadores, etc. Dicha forma se debe

a un mayor aprovechamiento de intercambio de energía por tener mayor área de

transferencia que un tubo recto.

Soda cáustica

Solución alcalina de formula NaOH, también se le conoce como hidróxido de

sodio.

Soda cáustica fresca

Es la solución que se obtiene al diluir con agua desmineralizada la soda cáustica

de 50% p/p de concentración hasta obtenerla a 4 % p/p que es como se inyecta a la

torre de lavado cáustico.

DERECHOS RESERVADOS


77

Soda cáustica gastada

Es la solución efluente de la torre de lavado cáustico que contiene un alto

contenido de carbonato de sodio y bajo contenido de soda cáustica libre.

Vapor de alta presión (HPI)

Es el vapor de agua seco, con una presión de 66,5 bar(a) y 482ºC.

Vapor de alta presión (HPII)

Es el vapor de agua seco a 45,8 bar(a) y 400ºC.

Vapor de baja presión (MP)

Es el vapor de agua a 3,0 bar(a) y 150ºC, obtenido de la reducción de presión del

vapor de media presión MP.

Vapor de media presión (LP)

Es la vapor de agua a 15bar(a) y 280ºC, obtenido mediante la reducción de

presión del vapor de alta presión HPII.

Vapor de proceso

Es el vapor obtenido mediante un generador que usa agua de proceso

recuperado en planta. Se inyecta proporcionalmente a la alimentación de materia prima

en los hornos de craqueo.

DERECHOS RESERVADOS

Universidad Rafael Urdaneta Capítulo III

79

3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN

La investigación descriptiva, según Dankhe, es “la investigación que busca

especificar las propiedades importantes de personas, grupos, comunidades o cualquier

otro fenómeno que sea sometido a análisis” (citado por Hernández, Fernández y

Baptista, 1998).

Tamayo (1988, Pág. 35), establece que la investigación descriptiva "es la que

trabaja sobre la realidad de los hechos y su característica fundamental es la de

presentarnos una interpretación correcta".

En ese mismo orden de ideas Bernal (2000, Pág. 120), define la investigación

descriptiva como: "la capacidad para seleccionar las características fundamentales del

objeto de estudio y su descripción desarrollada de las partes, categorías o clases de

dicho objeto".

En consideración a lo expuesto, esta investigación es del tipo descriptiva en tanto

que la misma permite medir la magnitud de la problemática presentada en el reactor

R-3601 A, por consiguiente conllevó a proponer alternativas a la falla que presentó

dicho equipo en la empresa.

3.2. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN

La investigación de campo corresponde a un tipo de diseño de investigación,

para la cual Carlos Sabino (S/f) en su texto "el proceso de Investigación" señala que se

basa en informaciones obtenidas directamente de la realidad, permitiéndole al

investigador cerciorarse de las condiciones reales en que se han conseguido los datos.

En otras palabras, el investigador efectúa una medición de los datos. Sin

embargo, qué tanto datos se pueden obtener considerando las restricciones de cada

estudio como por la carencia de recursos materiales, humanos, monetarios, y físicos.

DERECHOS RESERVADOS


80

Camilo Velásquez (2008) deduce que la investigación de campo hace referencia,

al trabajo que se desarrolla por parte del investigador dentro del campo que se quiere

investigar.

Velásquez concluye que el investigador debe abordar un estudio totalmente

detallado acerca del proyecto. Para esto debe interactuar con el mismo para así poder

concluir más eficazmente las causas, detalles y características del problema. Tomando

las experiencias ya obtenidas en espacio de trabajo y aplicarlas teóricamente y poder

plantear la completa sustentación de causa, problemas y desarrollo del mismo.

Para poder dar respuesta a la problemática anteriormente planteada se adoptó

una metodología basada en un enfoque investigativo de campo, el cual se basa en la

obtención directa de la fuente de una gran gama de datos cuantitativos entre ellos, la

presión diferencial, la temperatura, la conversión, y concentración de ciertos

componentes presentes en el gas de proceso para así dar respuesta a los objetivos de

la investigación.

3.3. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN

Una vez obtenidos los indicadores de los elementos teóricos y definido el diseño

de la investigación, fue necesario definir las técnicas de recolección de datos para

construir los instrumentos que permitieron obtenerlos de la realidad, es decir, cualquier

recurso de que se vale el investigador para acercarse a los fenómenos y extraer de

ellos información.

Para Ernesto Rivas González (1997) "investigación directa, es aquella en que el

investigador observa directamente los casos o individuos en los cuales se produce el

fenómeno, entrando en contacto con ellos. Sus resultados se consideran datos

estadísticos originales, por esto se llama también a esta investigación primaria".

Es por ello que al momento de recopilar los datos se habla de observación

directa ya que se obtuvieron los valores de las variables tales como: presión diferencial,

DERECHOS RESERVADOS


81

temperaturas, concentración de monóxido de carbono (CO), acetileno (C2H2), 1,3

butadieno (C4H6), metil-acetileno o propadieno (C3H4), etileno (C2H4) y porcentaje de

conversión de acetileno (C2H2) a etileno (C2H4). También aquella información que se

obtiene directamente de la realidad, recolectada con instrumentos propios para el

estudio y comprensión del área de trabajo.

Jose Ignacio Sanclemente Villalon (1991) define la técnica del tipo documental

como “en la medida en que la recopilación documental responda a los criterios y

necesidades de los métodos modernos de investigación, mucho mejor, ya que eso

supone que el trabajo de recopilación intenta sobre todo captar procesos antes que

hechos aislados” ya que fue necesario adquirir información a través de fuentes

bibliográficas impresas del tipo mayor tales como: manuales de operación, trabajos de

investigación, enciclopedias e informes de trabajo; también fuentes iconográficas tales

como: diapositivas y fotografías.

También se seleccionó información desde fuentes electrónicas tales como: el

Internet.

3.4. FASES DE LA INVESTIGACIÓN

Fase I: Caracterización de la capa formada en el tope del reactor R-3601 A

Cuando se intervino el reactor R-3601 A se pudo observar la formación de un

material extraño en la superficie del lecho. Se procedió a tomar varias muestras de

dicho material para su posterior análisis, con la finalidad de hallar los compuestos

presentes en él y postular posibles vías de formación.

Estas muestras fueron enviadas al Instituto de Tecnología Venezolana para el

Petróleo (INTEVEP) y al centro de Investigación y Desarrollo (INDESCA).

Inicialmente INDESCA evaluó la muestra mediante análisis termogravimétrico

(TGA), con lo que se observó la presencia de material orgánico e inorgánico. Se

realizaron ensayos de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR) con la finalidad de

DERECHOS RESERVADOS


82

elucidar la composición de la fase orgánica, y Plasma Acoplado Inductivamente (ICP)

para determinar la composición de la materia inorgánica presente. Adicionalmente,

realizaron un microanálisis elemental vía Microscopia Electrónica de Barrido (MEB),

verificándose una muy alta heterogeneidad de la muestra.

INTEVEP por su parte realizó también análisis de infrarrojo de muestras sólidas

para identificar al igual que INDESCA los elementos que conformaban la muestra.

Asimismo INTEVEP efectúo un análisis de Microscopía Electrónica de Barrido

(MEB), el cual reveló los porcentajes en peso de los elementos presentes en la

muestra.

Fase II: Análisis de los parámetros operacionales del reactor R-3601 A

Esta fase de la investigación comprende la recopilación y análisis de aquellos

parámetros relacionados en el proceso de hidrogenación del reactor R-3601 A como lo

son: presión diferencial, perfil de temperatura, conversión de acetileno (C2H2) y

concentración de acetileno (C2H2).

Para la obtención de las tendencias de dichos parámetros se recurrió al sistema

de información de la planta bajo la plataforma PI Process Book, el cual es una

aplicación de PC que muestra la información de planta guardada en el archivo de datos

PI o en las bases de datos correspondientes. El archivo de datos PI es una base de

datos de valores de cada una de las variables establecidos para los orígenes de datos

discretos de su proceso o facilidad.

Por medio del PI Process Book fue posible la realización de tablas con las

tendencias de cada parámetro en las cuales se individualiza el comportamiento de cada

uno de ellos en un intervalo de tiempo definido con la finalidad de conocer donde se

manifestaron las variaciones en el sistema de hidrogenación.

DERECHOS RESERVADOS


83

Fase III: Identificación de los posibles factores que dieron origen a la capa en el reactor R-3601 A

Una vez obtenidos los resultados de los análisis realizados por los centros de

investigación, se procedió a interpretarlos para compararlos entre ellos. De esta forma

poder determinar las semejanzas o las desigualdades que se pudieran manifestar.

Una de las similitudes que más resalta entre estos resultados son algunos de los

elementos que conforman la muestra analizada, dado que se pudo observar que los

mismos podrían pertenecer a equipos y/o a instalaciones involucradas aguas arriba del

proceso. Esto ameritó la búsqueda de información detallada acerca de los mismos para

comprender si existía relación alguna entre los elementos y la composición química de

estos.

Después de encontrada dicha información fue evaluada y analizada logrando así

determinar algunos de éstos posibles factores que pudieron dar origen a la formación

de la capa.

Fase IV: Recomendación de un sistema para el mejoramiento de los parámetros operacionales del reactor R-3601 A

Después de conocidos los posibles factores de formación de la capa se localizó

información competente para conocer las ventajas y desventajas de equipos que

puedan disminuir dicha formación. De tal modo se buscaron los recursos necesarios

para contactar al personal de la empresa licenciante de la planta. De esta forma

ponerlos al tanto de la problemática en el reactor y conocer sus viables soluciones y

atacar de manera más efectiva el problema planteado.

Próximo a esto The Linde Group respondió de carácter positivo, ya que no solo

alcanzó las expectativas esperadas sino que también con la información recaudada se

pudo llegar a escoger un equipo que pudiera potencialmente reducir la formación de la

capa en el tope del reactor.

DERECHOS RESERVADOS

Universidad Rafael Urdaneta Capítulo IV

85

Los resultados expuestos a continuación se realizaron a través de un esquema,

según lo definido en la primera parte de esta investigación (Capitulo I, objetivos

específicos), cada punto de dicho esquema corresponde al análisis e interpretación de

los indicadores especificados para cada objetivo.

4.1. Fase I: Caracterización de la capa formada en el tope del reactor R-3601 A

Se realizó el muestreo una vez completado el procedimiento de bloqueo, venteo

y prueba de explosividad según el respectivo protocolo y permisología. Del equipo se

extrajeron los siguientes materiales:

– Esferas de alúmina de 3/8” y ¼” del empaque previo al lecho catalítico.

– Material obtenido en la superficie de dicho lecho catalítico.

En la Figura # 8 se presenta el aspecto del tope del reactor R-3601 A, lugar del

cual se tomaron las muestras antes mencionadas.

Figura # 8: Foto del tope del reactor R-3601 A.

Fuente: Brito y Rojas (2008).

DERECHOS RESERVADOS


86

Como puede ser observado en esta figura, el material formado sobre el lecho

catalítico presentó una distribución muy desigual y heterogénea. Existen zonas

fácilmente identificables, marcadas en la figura como 1, 2, 3 y 4. En la zona 1 se puede

observar la malla metálica que soporta las esferas de alúmina; en la zona 2 se observan

las esferas de alúmina incrustadas en la capa de aspecto arenoso ubicada en el tope

del reactor; en las zonas 3 y 4 se observa el material formado, pero con aspecto y

coloración diferente.

A continuación, se muestra en la Figura # 9 el aspecto del material encontrado

en el tope del reactor.

Figura # 9: Material de aspecto arenoso encontrado en el tope del reactor.


Se puede observar la presencia de un material heterogéneo, es decir, la

presencia de material de aspecto arenoso, “escamoso” o laminar, y de coloración

diferente. También se pueden apreciar las escamas presentes en el material.

DERECHOS RESERVADOS


87

La presencia del guante de carolina sólo puede proceder del momento de la

anterior intervención e implica una violación del procedimiento de cerrado del equipo

por la incorporación de material exógeno al proceso. Es importante destacar que la

intervención del reactor implicó la extracción de aproximadamente unos veinte (20)

centímetros de una mezcla de este material y de las correspondientes esferas de

protección.

Adicionalmente, se practicó un análisis a simple vista y vía microscopía óptica

(40X) de las muestras tomadas de la superficie del lecho catalítico como puede ser

visualizado en las Figura # 10.

Figura # 10: Fotografía de las muestras tomadas con aumento de 40X.

Fuente: INDESCA (2009).

Se evidenció una apariencia óptica y morfológica diferente en distintas zonas de

la muestra, conformada por diferentes coloraciones (negro, marrón, amarillo y violeta), y

por distinta apariencia física en forma de laja (color negro y frágil) o arenoso. Esta

DERECHOS RESERVADOS


88

observación fue asociada a una muy alta heterogeneidad de la muestra, hecho que

motiva a verificaciones adicionales para poder lograr una muestra representativa.

Con la finalidad de determinar la composición del material encontrado en el tope

del reactor R-3601 A se realizaron cuatro tipos de ensayos, los cuales se resumen en la

Tabla # 1.

Ensayo Finalidad del ensayo

Análisis termogravimétrico (TGA). Determinación de la cantidad de

material orgánico e inorgánico presente

en la muestra.

Plasma acoplado inductivamente (ICP). Cuantificación de metales presentes en

la muestra.

Espectroscopia de infrarrojo con

transformada de Fourier (FTIR).

Elucidación de la estructura orgánica

Microanálisis y microcopia electrónica de

barrido (RX / MEB).

Composición – Estructura.

Tabla # 1: Ensayos aplicados a la muestra tomada del reactor R-3601 A.


A continuación, se presenta el análisis de los resultados obtenidos con cada tipo

de ensayo.

Análisis termogravimétrico

En la siguiente tabla se muestra el porcentaje de óxidos inorgánicos presentes en

la muestra.

DERECHOS RESERVADOS


89

Muestra Porcentaje de óxido inorgánico (%)

Residuo de aspecto arenoso 17,9 ± 6,84

Tabla # 2: Porcentaje de óxidos inorgánicos presentes en la muestra.


Como se puede observar en la Tabla # 2, el porcentaje de compuestos

inorgánicos presentes en la muestra se encuentra alrededor del 18% con una

desviación estándar del 7 %, lo que implica un rango entre 11 – 25 % de material

inorgánico, hecho que indudablemente es prueba de la alta heterogeneidad del material

encontrado en el tope del reactor R-3601 A.

En la Gráfica # 1 se presenta la curva de pérdida de peso de la muestra en

función de la temperatura.

Gráfica # 1: Curva de pérdida de peso de la muestra en función de la temperatura

(termograma).


DERECHOS RESERVADOS


90

El comportamiento térmico de la muestra demostró una pérdida de peso abrupta

entre 400 °C y 500 °C, lo cual generalmente es asociado con el proceso de

depolimerización, y que corresponde con la presencia de compuestos orgánicos de alto

peso molecular, generalmente poliméricos.

Plasma Acoplado Inductivamente (ICP)

El análisis elemental de la muestra se presenta en la tabla # 3.

Metal Concentración (ppm)

Aluminio 1,3 ±0,1 (%)

Cadmio 2,1 ±0,4

Calcio 1257,4 ±2,7

Magnesio 0,14 ±0,01

Hierro 19,8 ±0,9 (%)

Manganeso 209,8 ±6,4

Níquel 16,9 ±0,9

Vanadio 2,9 ±0,4

Sodio 5,4 ±0,4

Cobre 2,2 ±0,4

La concentración esta expresada en partes por millón (ppm) en cada uno de los

elementos al menos que se indique lo contrario.

Tabla # 3: Contenido de metales presentes en la muestra.


DERECHOS RESERVADOS


91

El hierro es el componente que se encuentra en mayor proporción,

aproximadamente 20 % en peso de la muestra con un 1 % de margen de error. El

margen de error aplica para todos los elementos presentes en dicha tabla.

Espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR).

El análisis FTIR de la muestra colectada de la parte superior del reactor

R-3601 A se observa en a continuación en la Gráfica # 2.

Gráfica # 2: FTIR del material encontrado en el tope del reactor R-3601 A.


Se evidenció la presencia de grupos: hidroxilo (3400 cm-1), metileno (2940-2853

cm-1), enlaces dobles conjugados (1700 – 1500 cm-1), metílico (1378 cm-1), y vinílos

(1000-900 cm-1), como principales grupos funcionales. La poca definición de los picos

es consecuencia del solapamiento de grupos funcionales muy similares o de la

influencia de diferentes grupos vecinos.

H-R HO- R

- C=C

- C=C

cm-1

DERECHOS RESERVADOS


92

En la Gráfica # 3, se muestra el espectro FTIR efectuado por INTEVEP, en el

cual se puede apreciar claramente las similitudes que presentan las diferentes

frecuencias con respecto al realizado por INDESCA.

Gráfica # 3: FTIR del material encontrado en el tope del reactor R-3601 A.

Fuente: INTEVEP (2009).

Firm

a: N

o fir

mad

o

737

1266

1298

1373

1449

1702

2864

2927

3036

R36

01A

(M34

672)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

%T

500

1

000

1

500

2

000

2

500

3

000

3

500

cm

-1

DERECHOS RESERVADOS


93

Con la finalidad de explorar la posibilidad de que la muestra estuviese compuesta

por diferentes componentes y poder facilitar el proceso de elucidación, se realizaron

ensayos de FTIR a la muestra calcinada, al residuo de la extracción con n-hexano y a

su extracto, estos resultados pueden ser observados en la Gráfica # 4.

4000,0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400,04,0

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

72,4

cm-1

%T

Muestra calcinadaExtracto con n‐HexanoResiduo de la extracción con n‐Hexano

Gráfica # 4: Espectro FTIR de la muestra calcinada, del residuo de extracción y del

extracto con n-Hexano.


A través de esta gráfica se expresa que los componentes residuales y los

calcinados presentan cierta similitud, sin embargo, la fracción residual aunque no es

soluble, todavía presenta fracciones de compuestos orgánicos, probablemente asociada

a la parte entrecruzada o carbón en la muestra.

La banda cercana a 3400 cm-1 y 1600 cm-1 puede atribuirse a grupos hidroxilo

que pueden ser asociados con presencia de humedad en la muestra.

DERECHOS RESERVADOS


94

Microanálisis y microscopía electrónica de barrido (MEB)

Por su naturaleza, los ensayos de análisis elemental vía microanálisis MEB

deben ser considerados como semicuantitativos ya que corresponden a una fracción

muy pequeña de la muestra, lo que implicó que para obtener la composición promedio

en muestras heterogéneas fue necesario evaluar múltiples puntos de las mismas.

En este orden de ideas, la evaluación de la muestra obtenida del tope del reactor

evidenció una muy alta variabilidad, siendo necesario evaluar por lo menos diecisiete

puntos correspondientes a tres fracciones de la muestra, como se puede apreciar en la

Gráfica # 5.

Gráfica # 5: Espectro de análisis elemental de la muestra.


En el espectro de rayos X obtenido a partir de los ensayos de microanálisis, se

puede evidenciar la presencia de los elementos carbono (C), oxigeno (O), sodio (Na),

magnesio (Mg), Aluminio (Al), sílice (Si), azufre (S), potasio (K) y calcio (Ca). A

DERECHOS RESERVADOS


95

diferencia del espectro obtenido por FTIR, en este caso no fue posible identificar grupos

funcionales, sino que se determinó la composición elemental de la muestra, es decir, se

determinaron los elementos que constituían la misma.

El microanálisis MEB indicó que la muestra estaba constituida mayormente por

material carbonáceo (80 % aprox.).

Dentro de los componentes inorgánicos metálicos podemos indicar que:

Existe un grupo de elementos, constituido por C, Na, Mn, Al, Si y Fe como

componentes mayoritarios, que se encontró presente en las diferentes fracciones de la

muestra. La mayor diferencia se encontró en el hierro, compuesto que casi llega a

desaparecer en alguna parte de la muestra, mientras que en otros puntos constituyó

hasta 20 % de la misma.

Otro grupo de elementos, constituido por Mg, S, Cl, K y Ca, que por su

concentración podrían ser clasificados como minoritarios, se encontraron solo en

algunas fracciones de la muestra; sin embargo, no se encontraron aglomerados.

DERECHOS RESERVADOS


96

(*) La presencia del elemento K se detectó en por lo menos tres ocasiones, sin

embargo, no pudo ser cuantificado por su bajo contenido.

Tabla # 4: Composición elemental de la muestra.


Elemento Porcentaje en peso

Rango (min-máx)

Carbón 59.76 – 89.40

Sodio 0.36 – 4.17

Magnesio 0.00 – 0.30

Aluminio 0.57 – 3.11

Sílice 0.74 – 6.19

Azufre 0.00 – 2.86

Cloro 0.00 – 2.40

Potasio (*)

Calcio 0.00 – 1.80

Manganeso 0.00 – 4.70

Hierro 0.30 – 20.46

DERECHOS RESERVADOS


97

Los resultados del análisis de microscopia electrónica de barrido practicado por

INTEVEP se muestran en la Gráfica # 6 y en la Tabla # 5, donde se sustentan la

información obtenida del análisis MEB realizado por INDESCA.

Gráfica # 6: Espectro de análisis elemental de la muestra.

Fuente: INTEVEP (2009).

DERECHOS RESERVADOS


98

Elemento Porcentaje en peso

Carbón 91.68

Oxigeno 6.12

Sodio 0.33

Aluminio 0.38

Sílice 0.53

Potasio 0.37

Hierro 0.60

Tabla # 5: Composición elemental de la muestra.


En la Figura # 11 y en la Figura # 12 se presentan dos micrografías obtenidas de

la muestra, donde se evidenció una topografía y morfología bastante irregular.

DERECHOS RESERVADOS


99

Figura # 11: Micrografía de la muestra.

Fuente: INDESCA.

Figura # 12: Micrografía de la muestra.

Fuente: INDESCA.

Se puede apreciar que existen algunas partes claramente diferenciadas desde el

punto de vista óptico; sin embargo, al ser analizadas mostraron características similares

al resto de la muestra.

DERECHOS RESERVADOS


100

4.2. Fase II: Análisis de los parámetros operacionales del reactor R-3601 A

Para realizar el análisis de los parámetros operacionales del reactor, fue

necesario recopilar información a través de las tendencias obtenidas del PI Process

Book, las cuales se muestran a continuación:

Presión diferencial

La gráfica # 7 representa la variación de la presión diferencial con respecto al

tiempo.

∆P (bar)

: Parada de la planta no programada

Gráfica # 7: Tendencia de la presión diferencial del reactor R-3601 A.

Fuente: PI Process Book (2008).

Al comienzo del año 2008 el reactor presentaba una presión diferencial alrededor

de 0.30 bar, como se puede observar dicho valor fue incrementando a través del

tiempo. Durante ese año se produjeron tres paradas de planta no programadas,

DERECHOS RESERVADOS


101

representadas claramente en la gráfica, en las cuales dos de ellas causaron un

aumento en la presión diferencial durante sus arranques y la tercera fue utilizada para

corregir la problemática removiendo la capa formada.

En la siguiente gráfica se refleja la tercera parada de la planta no programada

donde se retiró la capa formada.

∆P (bar)

Gráfica # 8: Tendencia de la presión diferencial del reactor R-3601 A.


Se puede observar que al momento de retirar la capa existió una disminución brusca

de la presion diferencial, alcanzando así un valor óptimo para la operación de la planta.

Temperatura

La temperatura de entrada al reactor se promedió en aproximadamente 90 ºC,

valor muy por encima del estimado por diseño (60 °C). Esto afima que fue necesario el

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102

aumento constante de la misma para compensar la disminución de sitios activos y

obtener la conversión de acetileno entre los rangos deseados.

El perfil de temperatura habitual del reactor indica que a medida que el fluido

desciende a través del lecho la temperatura va aumentando, este comportamiento es el

esperado ya que la reacción de hidrogenación de acetileno es exotérmica, además de

que el reactor es adiabático.

Seguidamente, se muestra la gráfica del perfil de temperatura del reactor

R-3601 A donde se detalla el comportamiento de cada una de las termocuplas a través

del lecho catalítico.

8587899193959799

101103105

23-May-0800:00:00

28-May-0800:00:00

02-Jun-0800:00:00

07-Jun-0800:00:00

12-Jun-0800:00:00

17-Jun-0800:00:00

Tiempo

Tem

pera

tura

[°C

]

Temperatura de entrada al reactor(TC3601) Temperatura de la primera termocupla (Tope, TI3602)Temperatura de la segunda termocupla(TI3603) Temperatura de la tercera termocupla(TI3604)Temperatura de la cuarta termocupla (TI3605) Temperatura de la quinta termocupla (TI3606)

Gráfica # 9: Perfil de temperatura del reactor R-3601 A.


La distancia relativa entre las curvas de la gráfica representa la diferencia de

temperatura (ΔT) entre una termocupla y otra. Si la distancia entre una curva y otra es

pequeña, entonces no se generó calor, lo que se traduce en que no hubo una gran

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103

conversión en esta sección del lecho, mientras que si la distancia es más grande ocurrió

una conversión mayor que generó calor en esta sección del lecho catalítico.

El convertidor R-3601 A presentaba un comportamiento inverso a dicho

planteamiento, es decir, la mayor conversión se observaba al final del lecho, lo que

indicaba que se estaba llevando a cabo la reacción a muy bajas conversiones en el tope

del reactor, como consecuencia de la capa formada en la sección superior del lecho

catalítico, ya que no solo impedía el normal desarrollo de la reacción si no que también

canalizaba esta sección del lecho ocasionando una mala distribución del gas.

Seguidamente, se muestra la Gráfica # 10, la cual manifiesta el perfil de

temperatura del reactor una vez retirada la capa formada.

Perfil de Temperatura del Convertidor R-3601 A

70

75

80

85

90

95

100

01/ 09/ 2008 06/ 09/ 2008 11/ 09/ 2008 16/ 09/ 2008 21/ 09/ 2008 26/ 09/ 2008 01/ 10/ 2008 06/ 10/ 2008 11/ 10/ 2008 16/ 10/ 2008

Tiempo

Tem

pera

tura

[°C]

Temperatura de entrada al reactor(TC3601) Temperatura de la primera termocupla (Tope, TI3602)Temperatura de la segunda termocupla(TI3603) Temperatura de la tercera termocupla(TI3604)Temperatura de la cuarta termocupla (TI3605) Temperatura de la quinta termocupla (TI3606)

Gráfica # 10: Perfil de temperatura después de retirada la capa formada.


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104

Conversión de acetileno

En la Gráfica # 11 se manifiesta la relación existente entre las líneas de

concentración de acetileno a la entrada y a la salida del reactor R-3601 A.

ppm

• Concentración de acetileno (ppm) a la entrada.

• Concentración de acetileno (ppm) a la salida.

Gráfica # 11: Comparación C2H2 entrada y salida.


La conversión de acetileno varía en función de la carga de la planta, es decir, de

la cantidad de propano y/o etano alimentada a los hornos de craqueo. Es por ello, que

la concentración de acetileno a la entrada del sistema de hidrogenación no es

constante, no obstante el porcentaje de conversión se mantuvo aproximado al valor

óptimo de operación (aproximadamente 55 %). Se puede notar claramente que los

picos de ambas tendencias se corresponden entre ellos, manteniendo de esta manera

un porcentaje de conversión estable.

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105

4.3. Fase III: Identificación de los posibles factores que dieron origen a la capa en el reactor R-3601 A

Posibles factores que dieron origen a la capa formada:

– El análisis FTIR mostrado anteriormente evidenció una estructura múltiple

(mezcla), típicas de los polímeros u oligómeros cuya síntesis no fue controlada. En este

orden de ideas, la comparación entre dicho espectro FTIR y el reportado por Sang Chul

Shim para el poliacetileno (Gráfica # 12) presenta buena concordancia, evidenciando

que muy probablemente correspondan a compuestos de la misma familia, y que la

fracción orgánica de la muestra posee una estructura similar a la del poliacetileno.

a)

b)

Gráfica # 12: Comparación entre FTIR: a) de la muestra y b) del poliacetileno.


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– La posibilidad de estructuras complejas con dobles enlaces secuenciales,

grupos hidroxilos y entrecruzamiento podría postularse como derivada de las

reacciones secundarias de formación del llamado green oil o aceite verde, típicos para

este tipo de procesos. Esta reacción, además de ser inducida térmicamente (tabla # 6),

puede ser favorecida por la presencia de materiales tipo alúmina o hierro, ya que se

presume que estos metales pueden actuar como catalizadores en dicha reacción.

Reacción Energía requerida Tipo de reacción

C2H2 + H2 C2H4 ∆H = -77,000 Btu/lbmol Hidrogenación de acetileno

(Deseada)

C2H2 + (n)C2H2 CxHx ∆H = -50 -60,000 Btu/lbmol (*)Aceite verde o polímero de acetileno (No deseada)

(*)La velocidad de reacción de formación de polímero verde se incrementa con la

temperatura y afecta la selectividad y actividad del catalizador bloqueando los sitios

activos.

Tabla # 6: Reacciones de acetileno.

Fuente: Brito y Rojas

– La banda cercana a los 1000 cm-1 y 400-600 cm-1 que aparece en los

espectros de la muestra calcinada y en el residuo de la extracción con n-Hexano

(gráfica # 4) pudo asociarse a la presencia de óxidos metálicos, del tipo Al2O3 o SiO4,

respectivamente. Esta banda no se observaba en el extracto con n-Hexano debido a

que en éste solo se encuentran los compuestos orgánicos.

– De la tabla # 4 se pudo determinar que la presencia de un alto contenido de

hierro (20.46 % p/p) no pudo atribuirse a los compuestos presentes en el reactor, tales

como catalizador o esferas de alúmina, por lo que probablemente provenía de la

erosión y/o corrosión de la tubería que conecta los secadores A 3701 A/B con el reactor

R-3601 A. El mismo criterio pudo explicar la presencia de otros metales como níquel

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107

(Ni), vanadio (V) y manganeso (Mn), ya que se conoce que dichos metales se utilizan

en algunas aleaciones de acero.

– La relación molar obtenida por microanálisis y microscopia electrónica de

barrido (MEB) entre sodio (Na), aluminio (Al) y sílice (Si), con referencia al aluminio, es

aproximadamente 1:1:1, con una diferencia de ±0.25, lo que concuerda con la fórmula

química del tamiz molecular presente en los lechos secadores A-3701 A/B:

(K2O·Na2O)·Al2O3·2Si02·XH2O

Esta correlación entre los datos de microanálisis y los datos de la fórmula

química del tamiz presentada por el fabricante conlleva a postular que el sodio (Na),

aluminio (Al), y sílice (Si) presentes en el material encontrado en el tope del lecho

catalítico provenían del tamiz molecular ubicado en los secadores A-3701 A/B.

4.4. Fase IV: Recomendación de un sistema para el mejoramiento de los parámetros operacionales

Los secadores poseen como medio adsorbente de humedad un tamiz molecular,

el cual es una esfera de aproximadamente 5 mm de diámetro. En el proceso de

regeneración del tamiz molecular, donde existen cambios de presión y temperatura en

el lecho, causan movimientos que generan fricción entre las esferas, por lo cual se

desprenden partículas o polvillos del tamiz que son arrastrados aguas abajo del

proceso. La erosión y/o corrosión de la tubería se suma a dicho arrastre trayendo como

consecuencia el aumento en la cantidad de partículas indeseadas hacia la sección de

hidrogenación.

Es por ello, que fue necesario la búsqueda de un sistema que pudiese adecuarse

a las condiciones de operación y que a su vez influyera de manera positiva en el

proceso, reteniendo las partículas arrastradas por el gas y mejorando la operatividad de

los equipos aguas abajo.

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108

Considerando la causa del problema se tomaron en cuenta varias medidas para

evitarlo, sin embargo, influyeron ciertos aspectos donde resaltan la efectividad del

sistema, el esfuerzo necesario para su construcción y el riesgo de consecuencias

indeseadas en el proceso. De esta manera se propuso la instalación de un ciclón y de

un filtro de guarda en la línea existente entre los adsorbedores y el reactor R-3601 A.

Las ventajas que proporciona el ciclón son las siguientes:

– Bajos costos de capital.

– Falta de partes móviles, por lo tanto, pocos requerimientos de mantenimiento

y bajos costos de operación.

– Caída de presión relativamente baja, comparada con la cantidad de partículas

removidas.

– Las limitaciones de temperatura y presión dependen únicamente de los

materiales de construcción.

– Colección y disposición en seco.

– Requisitos espaciales relativamente pequeños.

De tal modo se planteó el uso de un ciclón cuyas condiciones operacionales no

difieran de las del reactor R-3601 A y que tenga la capacidad de restringir el paso de

partículas sólidas menores a 75 μm. Esto se fundamentó con una prueba donde se

sometió la muestra calcinada y pulverizada a distintos tamices con diferentes números

de mallas, dentro de un rango de 210 – 75 μm (anexo 8 – 11), consiguiendo traspasar

el tamiz de 200 mallas (75 μm) como se muestra en el Anexo # 12.

El filtro de guarda debe estar ubicado aguas abajo del ciclón, con su respectivo

filtro de repuesto. El objetivo es el de evitar el paso de partículas sólidas indeseadas

que no hayan sido retenidas en el ciclón. Debe estar constituido por una malla metálica

que posea la capacidad de retener partículas menores a 75 μm, valor establecido por lo

anteriormente explicado.

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Figura # 13: Sistema de retención de partículas sólidas.


A-3701 A/B

CICLÓN

PARTÍCULAS

E-3601 FILTROS R-3601 A

E-3602

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111

CONCLUSIONES

De acuerdo a los resultados obtenidos en este estudio se puede concluir lo

siguiente:

– Con la implementación del sistema Ciclón – Filtro propuesto para la retención

de partículas sólidas se corrige la problemática presentada por la alta presión

diferencial, que a su vez influye de manera positiva en la temperatura y conversión,

logrando optimizar los parámetros operacionales del reactor.

– El material encontrado en el tope del reactor está constituido por material

orgánico carbonáceo (60 – 90 %) y material inorgánico como: hierro, sílice y aluminio

como principales componentes.

– El material orgánico “carbonáceo” posee como principales componentes los

grupos funcionales: hidroxilo, metileno, enlaces dobles conjugados, metílico, y

vinilos.

– El material inorgánico presente en la muestra está constituido principalmente

por tres elementos:

Hierro, el cual se presume debe su origen a procesos de erosión y/o corrosión

de las tuberías o equipos aguas arriba del reactor R-3601 A.

Aluminio, muy probablemente tenga una procedencia dual: la primera es la

atrición de las esferas de alúmina ubicadas en el tope del reactor R-3601 A y la

segunda, que provenga del tamiz molecular emplazado en los secadores A-3701

A/B.

Sílice, al igual que el aluminio, se presume que su existencia proviene del

tamiz molecular.

– Mediante el análisis realizado a los parámetros operacionales del reactor se

demuestra que al retirar la capa formada, se normaliza la operación del equipo.

– La capa formada muy probablemente es un derivado de reacciones

secundarias del acetileno, del tipo oligomerización y entrecruzamiento no controlado;

por su ubicación en el reactor, reacciones que pudieran ser promovidas por el hierro

y el aluminio.

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112

– El ciclón y la malla del sistema de filtros deben estar diseñados para impedir

el paso de partículas menores a 75 μm.

– Los filtros refuerzan la retención de partículas arrastradas hacia el reactor, ya

que su ubicación aguas abajo del ciclón permite la recolección de partículas que no

pudieron ser retenidas previamente, aumentando así la efectividad del sistema.

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114

RECOMENDACIONES

Luego de haber realizado la optimización de las variables operacionales del

reactor R-3601 A de la planta Olefinas II, se presentan las siguientes

recomendaciones:

– Auditar los procedimientos de intervención del reactor y velar por el

cumplimiento de las buenas prácticas en la realización de este trabajo. Discutir con

los responsables las consecuencias de dejar material exógeno al reactor dentro del

reactor en el momento de cerrarlo.

– Es necesario realizar la inspección de la tubería que conecta a los

secadores A-3701 A/B con el reactor R-3601 A, con la finalidad de corroborar la

posibilidad de erosión y/o corrosión como procesos postulados para explicar la

presencia de este material en el tope del reactor.

– Instalar el sistema de retención de partículas propuesto.

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116

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