OPTATIVA I PETROQUÍMICA

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1 OPTATIVA I PETROQUÍMICA Elisa Liliana Ale Ruiz *, Leonel Benitez Facultad de Ingeniería CIUNSa INIQUI CONICET - Facultad de Ingeniería CIUNSa Universidad Nacional de Salta Av Bolivia Salta - Argentina laleruiz@unsa.edu.ar Resumen.El enfoque sistémico, sustentado por la Teoría General de los Sistemas,llama sistema a todo conjunto de elementos relacionados entre sí, que tienen un cierto orden u organización y que cumplen una función. Lo importante es elevar la calidad del proceso docente educativo y su resultado: el egresado, sobre la base de la adecuada integración del estudio, la práctica y la investigación.optativa I Petroquímica es una materia correspondiente al quinto año de la carrera de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Salta.Se estructura fundamentalmente en dos grupos de conocimiento: Petróleo y Gas Natural siguiendo un enfoque sistémico. Para ello, los trabajos prácticos son estructurados en forma de cascada. El grupo Petróleo inicia desde la caracterización de un crudo de petróleo hasta llegar al diseño del proceso de destilación atmosférica. Con esta metodología se logra que el tema petróleo quede totalmente articulado y los conocimientos adquiridos por los estudiantes a lo largo del cursado de este módulo sean utilizados en forma continua y cíclica, logrando un aprendizaje significativo en el área explorada. En la segunda parte de la materia, el tema gas natural comienza con transporte y los requerimientos para realizarlo, luego continúa con los distintos procesos y tratamientos necesarios para acondicionarlo: endulzamiento, ajuste del punto de rocío y deshidratación. A lo largo de toda la materia se utiliza el simulador Aspen HYSYS para comparar los * A quien debe enviarse toda la correspondencia AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

2 resultados obtenidos por los métodos convencionales de cálculo respecto a aquellos obtenidos por el simulador. Palabras clave:petróleo, GAS, ENFOQUE SISTÉMICO, ENSEÑANZA. 1. Introducción El enorme volumen de información científico-técnica que debe manejar el profesional de nuestros días, hace que la enseñanza universitaria esté fundamentalmente dirigida a formar métodos de orientación en el objeto de trabajo del profesional y de búsqueda creadora de las soluciones de los distintos tipos de tareas que debe efectuar el profesional de una rama dada y no al dominio de toda la información. Esto obliga a realizar una reestructuración, no sólo de los objetivos, sino también de los contenidos de la enseñanza y a seleccionar aquellos contenidos de enseñanza que resultan fundamentales. Los nuevos modelos económicos y el desarrollo tecnológico actual exigen contar con profesionales altamente calificados, con habilidades para asimilar los conocimientos y tecnologías cambiantes, por lo que se hace necesario mirar críticamente la manera en que se están formando los mismos. La Ingeniería constituye uno de los principales motores del desarrollo tecnológico, pues permite dar mayor valor agregado a la producción y los servicios debido a su estrecha relación con la ciencia y con los avances tecnológicos, por eso resulta necesario mejorar la calidad de la enseñanza de las ingenierías, y particularmente de las disciplinas básicas de estas carreras. El proceso de enseñanza aprendizaje, debe contribuir a formar profesionales que sean capaces de ser protagonistas de su vida y decisiones, y que, colectivamente puedan transformar las condiciones de la vida social. Todo esto, por encima de didácticas, técnicas pedagógicas y enfoques sobre el aprendizaje, nos enfrenta a la responsabilidad de pensar y actuar bajo parámetros éticos que, como docentes, nos obligan a tomar postura frente a la realidad, y a desarrollar, a través de la investigación, nuevos modos de entender la relación entre los valores educativos y su práctica (Elliott, 1991)

3 1.1 Teoría General de Sistema En la primera mitad del siglo XX surgió la necesidad de diseñar métodos de investigación y estudio de los fenómenos complejos a causa de una acumulación de problemáticas en las que los métodos de investigación de las ciencias particulares se mostraban insuficientes. Por un lado, los nuevos sistemas de producción que incluían varias automatizaciones, el manejo de grandes cantidades de energía (termoeléctrica, nuclear ) que requería de especialistas de variadas ramas, el desarrollo y organización de transporte terrestre, marítimo y aéreo y otros fenómenos. Por otro, los grandes desarrollos científicos en la física (relatividad, estructura atómica, mecánica cuántica), biología (genética, evolución, estudio de poblaciones), química (teoría del enlace de Lewis, tabla periódica, estructura cristalina), matemática (álgebra de Boole, desarrollo del cálculo, problemas de Hilbert). Estas grandes revoluciones en el hacer y el pensar hicieron necesario el desarrollo de un enfoque complejo para la investigación de fenómenos complejos. Así nació el enfoque sistémico, sustentado por la Teoría General de los Sistemas (TGS) formulada por Ludwig von Bertalanffy a mediados del siglo XX. Llamamos sistema a todo conjunto de elementos relacionados entre sí, que tienen un cierto orden u organización y que cumplen una función. Lo importante es elevar la calidad del proceso docente educativo y su resultado: el egresado, sobre la base de la adecuada integración del estudio, la práctica y la investigación. 1.2 Enfoque Sistémico El enfoque sistémico es la aplicación de la teoría general de los sistemas en cualquier disciplina. En un sentido amplio, la teoría general de los sistemas se presenta como una forma sistemática y científica de aproximación y representación de la realidad y, al mismo tiempo, como una orientación hacia una práctica estimulante para formas de trabajo interdisciplinarias. En las definiciones más corrientes se identifican los sistemas como conjuntos de elementos que guardan estrechas relaciones entre sí, que mantienen al sistema directo o indirectamente unido de modo más o menos estable y cuyo comportamiento global persigue, normalmente, algún tipo de objetivo.

4 Otra definición de sistema: es un conjunto de elementos que de manera ordenada interactúan entre si, contribuyendo a un fin determinado. Esas definiciones se concentran fuertemente en procesos sistémicos internos; deben necesariamente, ser complementadas con una concepción de sistemas abiertos, en donde queda establecida como condición para la continuidad sistémica el establecimiento de un flujo de relaciones con el ambiente. Las características que pueden ser aplicables a cualquier sistema son: La interrelación de sus componentes (relación entre las partes y el todo). Los sistemas están ordenados en una jerarquía. Las partes de un sistema no son iguales al todo. Los límites de los sistemas son artificiales. Los sistemas pueden ser abiertos o cerrados según la influencia con el ambiente. Cada sistema tiene entradas, procesos, salidas y ciclos de retroalimentación. Las fuerzas dentro de un sistema tienden a ser contrarias entre ellas (feedback) para mantener el equilibrio Entropía. Podemos decir que el estudio de los sistemas se puede hacer desde una óptica diferenciadora o analítica o desde una óptica integradora o sistémica. En el primer caso hablamos de un enfoque analítico, en el segundo de un enfoque sistémico. En el enfoque analítico se parte del principio de considerar aisladamente y con gran detalle las diferentes partes del sistema, perdiendo la visión de conjunto. En el enfoque sistémico se prioriza la visión del conjunto a costa de perder los detalles. 2. Enfoque Sistémico dentro de Optativa I Petroquímica Optativa I Petroquímica es una materia correspondiente al quinto año de la carrera de Ingeniería Química (5 años de duración) de la Universidad Nacional de Salta, cuyo dictado se realiza durante el primer cuatrimestre. La materia se estructura fundamentalmente en dos grupos de conocimiento: Petróleo y Gas Natural siguiendo un enfoque sistémico abierto.

5 Los temas de cada grupo interactúan con materias de la materia a través de la frontera abierta y además interactúan dentro de la materia con cada uno de los temas. Este enfoque sistémico se muestra en la figura 1. OPTATIVA I - PETROQUÍMICA Qca. Orgánica Fisicoquímica Fenómenos de Transporte PETRÓLEO GAS Natural CARACTERIZACIÓN ANÁLISIS y PROP. TERMODINÁMICA S TRANSPORTE TRATAMIENTO Frontera Abierta FRACCIONAMIENTO DESHIDRATACIÓN ENDULZAMIENTO SIMULACIÓN Operaciones y Procesos Diseño de Procesos Operaciones Unitarias II Fig. 1. Optativa I Petroquímica dentro de un sistema 3. Secuencia de Trabajos Prácticos del grupo Petróleo Para esto en el tema petróleo, los trabajos prácticos fueron diseñados, partiendo de la obtención de la curva de destilación, hasta llegar a diseñar el proceso de destilación atmosférica. De manera tal que cada grupo de alumnos (no superior a tres) trabaje fundamentalmente con la curva de destilación, densidad y especificaciones de los cortes comerciales, de un mismo crudo de petróleo. La estructuración y secuencia de los trabajos prácticos es la siguiente.

6 3.1. Obtención experimental de curva de destilación ASTM (1). Se realiza la destilación de un crudo de petróleo de la zona, en un equipo de destilación estandarizado bajo norma ASTM D Transformación de la curva obtenida experimentalmente. (2). Se realiza la transformación de la curva de destilación ASTM obtenida experimentalmente con el objetivo de obtener las curvas TBP y EFV. Esta transformación se realiza mediante el uso de métodos convencionales y el uso del simulador comercial HYSYS, como se detalla a continuación. Métodos convencionales. En la literatura se dispone de varias correlaciones que involucran las curvas ASTM, TBP y EFV a presión atmosférica. En la materia, se utilizan dos de los métodos más difundidos: método de Maxwell, método de Edmister y la corrección por presión de la curva EFV (Edmister y Okamoto, 1959), (Maxwell, 1950). Método utilizando simulador HYSYS. Las curvas obtenidas experimentalmente son alimentadas al simulador comercial HYSYS, para obtener las curvas TBP y EFV. El procedimiento seguido es el elaborado por docentes de la cátedra (Tarifa et al, 2008) Caracterización de crudos (3). A partir de las curvas de destilación (Wuithier, 1971), se determina: Temperaturas medias: VABP, MABP, WABP y MeABP. Peso molecular. Factor K. Relación C/H. Temperatura pseudocrítica. Presión pseudocrítica. Factor acéntrico Análisis de crudo(4). A partir de los datos de la curva de destilación y densidad (Speight, 1998), se confeccionan: El gráfico de densidades instantáneas.

7 Curvas MID%, para: densidad, peso molecular, factor K y MeABP. En este trabajo práctico se especifican las temperaturas finales, ASTM, para los distintos cortes comerciales que se quieren obtener en la destilación atmosférica y con los mismos se calculan las temperaturas de corte y los rendimientos. Con estos datos los alumnos pueden determinar: a) Densidad Por integración gráfica, utilizando la curva de densidades instantáneas. Por integración analítica. Utilizando las curvas MID% de densidades. b) MeABP, factor K y peso molecular, utilizando: Curvas MID% Curvas extendidas para cada corte comercial Estimación de propiedades(5). Con los datos obtenidos en los trabajos prácticos anteriores, por ejemplo: temperaturas medias, peso molecular, factor K, etc., se estima densidad y viscosidad del crudo a diferentes presiones y temperaturas (Cerutti, 2002). A su vez para los cortes comerciales especificados se estima entalpía a diferentes presiones y temperaturas, que resultan necesarios para el cálculo del diseño del proceso de una torre de destilación atmosférica (topping) Diseño del proceso de una torre de destilación atmosférica (6). Se realiza el diseño del proceso en forma convencional y utilizando el simulador comercial HYSYS. Método convencional. El diseño comienza con una torre de destilación tipo I (sin recirculaciones laterales) y en función del análisis de flujos internos de la torre se puede extender el cálculo para torres del tipo II o III las cuales incluyen recirculaciones laterales, figura 2.

8 Torre de Destilación El Equipo El Proceso Condiciones de Operación Perfil de Presión Perfil de Temperatura Flujos internos de vapor y líquido Balances de Materia Balances de Energía Fig. 2. Esquema de cálculo de una torre de destilación El diseño de la torre tipo I permite obtener los flujos de los productos y de las corrientes internas de la torre y los perfiles de temperatura y presión a lo largo de la torre. Esto se logra realizando balances de materia y energía en las distintas zonas de la torres, tal como se muestra en la figura 3.

9 Zona Superior R SB + Zona de Extracción DII - F Stripper de fondo Zona de lavado Zona Flash S S D S D Fig.3. Esquema de zonas para el cálculo de la torre de destilación atmosférica. Simulador comercial HYSYS. Se confecciona el PDF en HYSYS, utilizando el siguiente procedimiento: se instala la corriente de alimentación a la torre de destilación, se incluyen las corrientes necesarias para su funcionamiento en base a las especificaciones de los productos a obtener y por último se instala la torre de destilación. Ver Figura 4 y Figura 5. B Fig. 4. PDF de HYSYS para la destilación atmosférica

10 Fig. 5. PDF de HYSYS para el sub esquema de la torre de destilación tipo I Luego de simular la torre de destilación tipo I y de acuerdo a los resultados de los perfiles de flujos internos de la misma se simula la torre de destilación tipo II, figura 6.

11 Fig. 6. PDF de HYSYS para el sub esquema de la torre de destilación tipo II Al finalizar el trabajo práctico se realiza una comparación de resultados del diseño del proceso obtenido por los dos métodos, el convencional y utilizando el simulador HYSYS Parcial. El parcial del grupo es un problema abierto que se realiza en grupos de 3 alumnos, el mismo tiene la duración equivalente al de una jornada laboral habitual, es decir 8 (ocho) horas. El objetivo de este método es el de que los alumnos desarrollen y/o fortalezcan sus actitudes y aptitudes de trabajo en equipo, organización de tiempo y de información y, experimenten realizar el trabajo bajo presión en tiempo real. Además se pretende simular un ambiente de trabajo similar al que se presentan en entrevistas de trabajo en cual los alumnos se enfrentan a problemas ingenieriles en donde deben trabajar en equipos con otros profesionales de distinta ramas.

12 4. Secuencia de Trabajos Prácticos del grupo Gas Natural En la segunda parte de la materia, el grupo de gas natural comienza con los conocimientos y nociones básicas de su transporte y los requerimientos para realizarlo, luego continúa con los distintos procesos y tratamientos necesarios para acondicionarlo y cumplir con las especificaciones correspondientes a la legislación vigente dada por ENARGAS mediante la planta integrada de tratamiento y acondicionamiento de gas natural: endulzamiento, ajuste del punto de rocío y deshidratación. En la figura 7 se muestra el sistema para el tema Gas Natural Gas Natural Transporte Endulzamiento Deshidratación Dew Point Planta Integrada Fig. 7. Sistema Gas Natural 4.1. Transporte En el subsistema Transporte se aborda el tema planteando la ecuación general de flujo y luego las ecuaciones simplificadas par ser usadas en alta, media y baja presión. A partir de estos conocimientos se realiza el dimensionamiento de un gasoducto utilizando métodos numéricos de cálculo y luego realizando la simulación en el simulador Hysys, figura 8.

13 Fig. 8.Simulación del gasoducto 4.2. Endulzamiento En el proceso de endulzamiento de Gas Natural debido al ajustado tiempo de la materia sólo se realiza la simulación aplicando los conceptos estudiados en la teoría (Martinez, 2000). La simulación que realizan los alumnos se puede ver en la figura 9. Fig. 9. Simulación de una planta de endulzamiento

14 4.3. Deshidratación y ajuste del punto de rocío En los procesos de deshidratación y ajuste del punto de rocío (Campbell, 1982) los alumnos realizan los cálculos convencionales acerca de determinación del punto de rocío de agua, cantidad de agua a extraer, inhibición de hidratos, etc, finalizando con la simulación de las plantas, como se muestra en las figuras 10 y 11. Fig. 10. Simulación de una planta de ajuste del punto de rocío (Dew Point) Fig. 11. Simulación de una planta de deshidratación

15 5. Conclusiones El enfoque sistémico permite organizar la materia de forma tal que los alumnos al finalizar cada una de las partes de la materia integren los conocimientos de la materia y de las materias que están en las fronteras El trabajar con el simulador HYSYS permite, sin mayores esfuerzos, realizar cambios por ejemplo algo muy usual en la industria el cambio de las propiedades del crudo a procesar y por ende de la curva de destilación. Al resolver el diseño del proceso de una columna de topping Tipo I y Tipo II, se pueden comparar las ventajas y desventajas de un simulador con un método de resolución convencional. Para el fraccionamiento de un crudo, a partir de una curva de caracterización de petróleo, se puede emplear la simulación para hacer un estudio de sensibilidad paramétrica Con esta metodología se logra que la temática referida al petróleo quede totalmente articulada y los conocimientos adquiridos por los estudiantes a lo largo del cursado de este módulo sean utilizados en forma continua y cíclica, logrando un aprendizaje significativo en el área explorada. Con respecto al tema Gas Natural si bien el sistema no es similar al grupo petróleo, los alumnos al simular la planta integrada de tratamiento de Gas Natural integran los conocimientos del tema. Referencias Campbell, J. (1982). Gas Conditioning and Processing. Vol. 1 y 2, Ed. Campbell Petroleum Series. USA. Cerutti, A. A. (2002). La Refinación del petróleo; Tomo I; Ed. IAPG; 2002 Edmister, W. C. & Okamoto, K.K (1959). Applied Hydrocarbon Thermodynamics - Part 12: Equilibrium Flash Vaporization Correlations for Petroleum Fractions, Petroleum Refiner; August. Elliot J.(1991). El cambio educativo desde la investigación-acción. Ediciones Morata, Madrid. Martínez, Marcías J. (2000). Endulzamiento del gas natural. Ingeniería de gas, principios y aplicaciones. Ingenieros Consultores S.R.L. Maracaibo, Venezuela. Maxwell, J. B. (1950); Data Book on Hydrocarbon; D. van Nostrand Company; London. Speight, J. G.; The Chemistry and Technology of Petroleum; Third Ed.; New York; 1998 Wuithier, P. Refino y Tratamiento Químico: el petróleo; Cepsa S.A. Marcel Dekker Inc.; Madrid; 1971

16 Tarifa, E., Erdmann, E., Humana, D., Franco, S. & Mercado, L. (2008); Determinación de la curva de destilación flash para cortes de petróleo utilizando simuladores comerciales; Revista ingeniería e investigación; vol. 28 No. 1;50-56