UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO Departamento de Ingeniería Química. INTEGRACIÓN IV Año: 2003 Trabajo práctico Nro. 8 Uso de Hysys. Simulación de un Proceso de Refinación de Petróleo. Sea la siguiente instalación para fraccionamiento de petróleo, en la que se procesan 100 000 barriles/día de petróleo crudo para producir nafta, kerosene, diesel, gasoil atmosférico y productos de residuo atmosféricos. El petróleo crudo (precalentado aguas arriba a 450ºF y a una presión de 75 psia) se alimenta a un tanque separador pre-flash, donde los vapores se separan del líquido. El líquido es calentado en el horno a 650ºF, mientras que los vapores, sin pasar por el horno, se vuelven a mezclar con el crudo caliente proveniente del mismo. Esta corriente combinada es finalmente alimentada a la columna de fraccionamiento atmosférica. A continuación se muestra el flowsheet principal del proceso. La columna principal consiste de 29 platos teóricos y un condensador parcial de 3 fases, 3 columnas laterales despojadoras y 3 circuitos refrigerados de recirculación (pump around), como se observa en el sub-flowsheet correspondiente. La alimentación (TowerFeed) entra en el plato 28 (junto a la corriente de energía TrimDuty), mientras que por el fondo de la columna se alimenta vapor sobrecalentado. Del condensador se extrae el agua (WasteH2O) y Nafta, de las columnas despojadoras se obtienen Kerosene, Diesel y AGO (atmospheric gas oil), y del fondo de la torre se obtiene un Residuo del crudo. 1
Los ensayos de laboratorio (ver apéndices I y II) proporcionaron los siguientes datos respecto al petróleo: Componentes livianos, porcentaje en volumen líquido Propano 0.00 i-butano 0.19 n-butano 0.11 i-pentano 0.37 n-pentano 0.46 Propiedades del Bulk (masa principal de crudo) MW (peso molecular) 300.00 Densidad API 48.75 2
Ensayo de destilación, TBP (True Boiling Point) Porcentaje de volumen Temperatura, ºF Peso Molecular liquido destilado 0.0 80.0 68.0 10.0 255.0 119.0 20.0 349.0 150.0 30.0 430.0 182.0 40.0 527.0 225.0 50.0 635.0 282.0 60.0 751.0 350.0 70.0 915.0 456.0 80.0 1095.0 585.0 90.0 1277.0 713.0 98.0 1410.0 838.0 Ensayo de Densidad API (1) % Vol Liq Destilado Densidad API 13.0 63.28 33.0 54.86 57.0 45.91 74.0 38.21 91.0 26.01 Ensayo de Viscosidad % Vol Liq Destilado Viscosidad (cp) 100 ºF Viscosidad (cp) 210 ºF 10.0 0.20 0.10 30.0 0.75 0.30 50.0 4.20 0.80 70.0 39.00 7.50 90.0 600.00 122.30 (1) la densidad API (American Petroleum Institute) se relaciona con el peso específico por medio de la siguiente ecuación: 141,5 º API = 131,5 densidad relativa a 15,56º C 3
A continuación se detallan los datos de las corrientes de vapor del proceso. Corriente Temperatura, ºF Presión, psia Flujo másico, lb/hr Bottom Steam 375 150 7500 Diesel Steam 300 50 3000 AGO Steam 300 50 2500 En cuanto a la columna, los datos correspondientes a los circuitos de recirculación (pump around) son los siguientes: Corriente Caudal, barriles/día Refrigeración, BTU/hr. PA_1 50000-55000000 PA_2 30000-35000000 PA_3 30000-35000000 Además, se debe especificar el flujo neto de líquido en la etapa 27 (Overflash), cuyo valor influirá en la cantidad de energía requerida en la corriente TrimDuty. El rango típico de Overflash es 3-5% del caudal de alimentación de la torre. En este caso tenemos 100000 barriles/día de alimentación, por lo que especificaremos un Overflash de 3500 barriles/día. Por último, se fijará el valor de la corriente de energía Kero Reb Duty en 7500000 BTU/hr y la corriente Vapor Prod Rate en 0. TAREAS PROPUESTAS 1.- Caracterización del crudo (ver Apéndices I y II). 1.1- Ingresar los datos de laboratorio para definir el ensayo (Assay) 1.2- Crear, a partir de dichos datos, una mezcla de pseudo-componentes representativa del crudo (Blend). Utilizar la opción Auto Cut de Hysys para establecer los rangos de TBP y número de componentes por rango. 1.3- Instalar el crudo calculado en la corriente PreHeat Crude, con lo que los componentes hipotéticos se agregarán al paquete de fluidos, y junto a los componentes livianos formarán dicha corriente, la cual deberemos utilizar en la simulación. Utilizar Peng-Robinson como ecuación de estado. 2.- Determinar las fracciones de volumen líquido de los distintos cortes (nafta, kerosene, diesel, AGO, residuo). Luego emplear estos valores para especificar los caudales Distillate Rate, KeroSS Prod Flow, DieselSS Prod Flow y AGOSS Prod Flow en la columna fraccionadora. 3.- Resolver los balance de materia y energía asociados al proceso. 4.- Sabiendo que el Databook es una facilidad del HYSYS que permite registrar el valor de las variables claves de un proceso ante diferentes escenarios, utilice esta herramienta para examinar como varían el flujo de calor de la corriente de energía TrimDuty y la relación de reflujo de la columna con el valor especificado de Overflash, cuando éste asume los valores de 1500, 3500, 5500 y 7500 barriles/día. 4
INFORME TÉCNICO Confeccionar un Informe Técnico que incluya:. 1.- Las hipótesis, consideraciones y/o datos utilizados para ingresar la información del proceso al modelo estacionario que utilizó en HYSYS. 2.- Informar los resultados en forma de tabla, indicando las condiciones para las corrientes de entrada y salida (materiales y energía) para cada equipo, obtenidos durante la simulación estacionaria. 3.- Informar como afecta el valor de Overflash al requerimiento de energía TrimDuty, y a la relación de reciclo. 4.- Graficar la curva de puntos de ebullición (BP) para la nafta obtenida del proceso. Averiguar las especificaciones que deben cumplir las naftas comerciales respecto a dichas curvas, y verificar si la nafta obtenida cumple tales requisitos. Para obtener dicha gráfica ir a la página Profiles en la ventana de la columna. Seleccione Boiling Point Assay en Refinery Assay Curves, y presione View Graph. 5
APÉNDICE I Caracterización de petróleo La caracterización de petróleo consiste en convertir los datos de los ensayos de laboratorio en una serie de componentes hipotéticos que representen las propiedades del petróleo en cuestión y sus distintos cortes. Método de caracterización Consiste principalmente de los siguientes pasos: 1) A partir de los datos ingresados, Hysys genera las curvas de puntos de ebullición (TBP = True Boiling Point), de peso molecular, densidad y viscosidad. Fig. 1 - Curva TBP típica 2) Se fracciona la curva TBP en las temperaturas de corte determinadas, obteniéndose así la serie de pseudo-componentes. Pueden usarse las temperaturas de corte sugeridas por Hysys (Autocut) o especificar los rangos de temperatura y la cantidad de pseudo-componentes deseados. El punto de ebullición inicial (IBP) a partir del cual se generan los pseudocomponentes es el correspondiente al del componente liviano más pesado (en nuestro caso, n-pentano), salvo que se especifique otro valor. 3) A partir de las curvas correspondientes, se determina gráficamente el punto de ebullición (NBP = Normal Boiling Point), peso molecular, densidad y viscosidad de cada pseudo-componente. 6
Fig. 2 - Fraccionamiento de la curva TBP En la Fig.2 se generan, a modo de ejemplo, 4 pseudo-componentes (C1,C2,C3,C4) a partir de las temperaturas de corte IBP,T1,T2,T3 y T4. Los puntos de ebullición (NBP) se determinan como el valor medio de temperatura en el rango correspondiente a cada pseudo-componente. La proyección sobre el eje x determina la composición. Finalmente, a partir de las curvas de peso molecular, densidad y viscosidad, se determinan los valores medios de estas propiedades para cada pseudocomponente. 4) A partir de las propiedades calculadas en el punto (3), y por medio de correlaciones apropiadas, se calculan las restantes propiedades críticas y físicas, las cuales serán utilizadas por los paquetes de propiedades termodinámicas. Entre dichas correlaciones podemos mencionar: Lee-Kesler Cavett Riazi-Daubert Nokay Roess Edmister Bergman Spencer-Daubert Etc. 7
APÉNDICE II Datos de Laboratorio El intervalo de ebullición del crudo proporciona una indicación de los distintos productos presentes. El tipo mas útil de destilación es el de punto de ebullición verdadero (TBP: true boiling point). Hysys acepta distintos tipos de ensayos standard de laboratorio: TBP ASTM D86 y ASTM D1160 EFV (Equilibrium Flash Vaporization) Consiste en una destilación Batch en una columna de entre 15 y 100 platos teóricos con una relación de reflujo de 5 o mayor. También consiste en una destilación Batch, pero sin reflujo. ASTM D86 se emplea principalmente para petróleos livianos o medios, mientras que ASTM D1160 se emplea para petróleos pesados y por ello se lleva a cabo en distintas condiciones de vacío. Consiste en una grafica de temperatura versus porcentaje de líquido destilado a presión constante, pero la totalidad del vapor formado se mantiene en equilibrio con el líquido sin vaporizar ANALISIS CROMATOGRAFICOS La caracterización de petróleo siempre se lleva a cabo a partir de la curva TBP. Si los datos ingresados corresponden a las curvas ASTM o EFV, Hysys los transforma internamente en una curva TBP por medio de métodos standard. Los datos de laboratorio pueden describirse en cualquiera de las siguientes bases: Porcentaje de volumen líquido Fracción molar Fracción másica Se debe tener cuidado de elegir la base correcta al ingresar los datos en el simulador. Profesores: Dr. Ing. Qca. Nicolás J Scenna. Dr. Ing. Qca. Sonia J. Benz. Dr. Tgía. Qca. Alejandro S. M. Santa Cruz 8