INTRODUCCION
Empezando por la
materia prima que es el petróleo, o también llamado oro negro en algunas
culturas, es el motor que mueve la sociedad en que vivimos actualmente. Es la
materia prima que hace mover nuestros vehículos, genera nuestra electricidad y
es la base para generar los plásticos que envuelven nuestro entorno. Debido a esto
existen pequeñas fluctuaciones en su extracción, precio, transporte o proceso
de refino pueden hacer sacudir la economía de países o regiones enteras.
Es bien entendido que las refinerías son el
lugar donde el crudo, que carece de aplicaciones industriales, es transformado
en productos con unas características definidas que sí tienen interés comercial
y, de hecho, estos productos son la base para innumerables industrias.
El refinamiento da
marcha con una destilación, una operación que se realiza mediante una torre
dividida en diferentes compartimentos horizontales, en la que se introduce el
petróleo previamente calentado. Continuamente, entra el crudo de petróleo y se
obtienen a la salida los diferentes productos destilados según sus puntos de
ebullición. Con esta operación, no se acaba el proceso de refino, sino, posteriormente,
los compuestos obtenidos son tratados en otras unidades de proceso, donde se
modifica su composición molecular o se eliminan los compuestos no deseados,
como uno de ellos el azufre. De esta manera, se obtendrán los productos
derivados al mismo, de acuerdo con las exigencias técnicas y ambientales que son
necesarias para su utilización comercial.
La presentación
del siguiente estudio se basó en el diseño de una línea de proceso del
combustible fósil (petróleo), el cual es
convertido en Diesel un combustible no renovable que se utiliza para la
generación de electricidad, transporte y calefacción.
El presente
informe se lo realizo debido a la importancia fundamental que tiene como
materia prima, la venta del petróleo y sus derivados es un pilar fundamental dentro
del mercado mundial y la política de varios países.
Debido a la gran
demanda de hidrocarburos en el mundo, la acelerada declinación de los
yacimientos tradicionales y la dificultad de descubrir nuevos nos da a entender
que hay que buscar otras alternativas para satisfacer las necesidades de un
mercado que se pone más exigente cada día.
En la actualidad
el nivel de vida depende del combustible fósil para realizar la mayoría de las
actividades industriales como de movilidad, la energía, hasta el funcionamiento
de grandes maquinarias, ya que la utilización del petróleo abarca más de un 50%
de estas.
El petróleo
sirve de diferentes técnicas con objeto de obtener un máximo de productos de
gran valorización. Estos procesos se llevan a cabo en una refinería. La
refinería es el lugar en que se trata el petróleo para producir una serie de
productos comercializables. La estructura de cada refinería debe tener en
cuenta todas las diferentes características del crudo. Además, una refinería
debe estar concebida para tratar una gama bastante amplia de crudos.
El diésel, es un
derivado del crudo, que proveniente de la destilación fraccionada del petróleo,
tiene características especiales de calidad y se trata para eliminar compuestos
azufrados, los cuales pueden tener comportamientos corrosivos en ciertos casos,
por lo tanto, se analizará los diferentes procesos que se realizan en la
refinería para poder obtener un diésel de mejor calidad.
EL PETROLEO
En condiciones
normales de presión y temperatura es un líquido bituminoso que puede presentar gran variación en
diversos parámetros como color y viscosidad (desde amarillentos y poco viscosos como la
gasolina hasta líquidos negros tan viscosos que apenas fluyen), densidad (entre 0,66 g/ml y
0,9785 g/ml), capacidad calorífica, etc.
Estas variaciones se deben a la diversidad de concentraciones de los hidrocarburos que componen la mezcla, esto hace que el
petróleo de cada pozo o fuente sea distinto de otro.
Es un recurso no renovable y
actualmente también es la principal fuente de energía y
materia prima para la generación de una gran variedad de derivados, entre los
que se incluyen la mayoría de los plásticos. El petróleo líquido puede
presentarse asociado a capas de gas natural, en yacimientos que han
estado enterrados durante millones de años, cubiertos por los estratos superiores de la corteza terrestre.
Debido a la importancia fundamental
como materia prima, la venta del petróleo y sus derivados es un pilar
fundamental del mercado mundial y la política exterior de varios países.
En los Estados Unidos, es común medir
los volúmenes de petróleo líquido en barriles (de 42 galones estadounidenses, equivalente a 158,987 litros),
y los volúmenes de gas en pies cúbicos (equivalente a 28,317 litros); en otras
regiones ambos volúmenes se miden en metros cúbicos.
COMPOSICION
El petróleo es un líquido oleoso bituminoso (de color oscuro) de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas (es una mezcla de hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno). También recibe los nombres de petróleo crudo, crudo petrolífero o simplemente “crudo”. Aunque se trata de un líquido aceitoso de color oscuro, es considerado una roca sedimentaria. Es una mezcla muy compleja de composición variable, de hidrocarburos de muchos puntos de ebullición y de estados sólido, líquido y gaseoso, que se disuelven unos en otros para formar una solución de viscosidad variable.
- Hidrocarburos saturados o parafinas. Se los considera derivados del metano, su fórmula general es CnH2n+2.·
- Hidrocarburos etilénicos u olefinas. Moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace doble de carbono (-C=C-). Su fórmula general es CnH2n. Tienen terminación -"eno"
- Hidrocarburos acetilénicos. Moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace triple de carbono. Su fórmula general es: CnH2n-2. Tienen terminación -"ino
- Hidrocarburos cíclicos ciclánicos. Hidrocarburos cíclicos saturados, derivados del ciclopropano (C3H6) y del ciclohexano (C6H12). Muchos de estos hidrocarburos contienen grupos metilo en contacto con cadenas parafínicas ramificadas. Su fórmula general es CnH2n.
- Hidrocarburos bencénicos o aromáticos.
- Compuestos oxigenados (derivados de hidrocarburos etilénicos, por oxidación y polimerización)
- Compuestos sulfurados (tiofeno, etc.)
- Compuestos nitrogenados cíclicos (piridina, etc.)
En el petróleo
natural, además de hidrocarburos, existen nitrógeno, azufre, oxígeno,
colesterina, productos derivados de la clorofila y de las heminas (porfirinas)
y, como elementos, trazas, vanadio, níquel, cobalto y molibdeno.
Como consecuencia de la naturaleza de los compuestos orgánicos que lo forman, el petróleo presenta polarización rotatoria, lo cual revela claramente que se trata de un compuesto de origen orgánico, formado a partir de restos animales y vegetales.3La composición química del petróleo es muy variable, hasta el punto de que los cuatro tipos fundamentales de hidrocarburos: parafinas (hidrocarburos saturados), olefinas (hidrocarburos insaturados), naftenos (hidrocarburos cíclicos saturados o cicloalcanos,), e hidrocarburos aromáticos, no solamente son diferentes de un yacimiento a otro, sino también las diversas sustancias que es preciso eliminar más o menos completamente: gas, azufre (que junto con el sulfhídrico, mercaptanos y tioalcoholes pueden alcanzar un 3 %), agua más o menos salada, compuestos oxigenados y nitrogenados, indicios o vestigios de metales, etc.
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
Hidrocarburos líquidos, sus propiedades físicas:
Densidad: El petróleo es más liviano que el agua. Su peso específico es
influenciado por factores físicos y por la composición química del crudo.
0.75-0.95 Kgr./lt. Aumenta con el porcentaje de asfalto.
Olor: Es característico y depende de la naturaleza y composición del
aceite crudo. Los hidrocarburos no saturados dan olor desagradable, debido al
ácido sulfhídrico y otros compuestos de azufre. Los petróleos crudos tienen
olor aromático. En otros aceites el olor varía, dependiendo de la cantidad de
hidrocarburos livianos y de las impurezas.
Color: El color del petróleo varía de amarillo al rojo pardo y negro.
Por luz reflejada, el aceite crudo es usualmente verde, debido a la
fluorescencia; Los aceites medianos color ámbar; Los aceites más pesados
son oscuros. Por lo general, su tonalidad se oscurece con el aumento de su peso
específico, que se incrementa al aumentar su porcentaje de asfalto. Los
hidrocarburos puros son incoloros, pero a menudo se colorean por oxidación,
especialmente los no saturados y de los que contienen N, O, S, además de H y C.
Viscosidad o resistencia al flujo: Se mide por el tiempo necesario para
que una cantidad dada de petróleo fluya a través de una pequeña abertura.
Volatilidad: En el petróleo crudo, depende de los puntos de ebullición
de los diversos componentes.
Tensión superficial y fuerza capilar: Son propiedades físicas que tienen
un papel importante en la migración de hidrocarburos a través de las rocas de
la corteza terrestre. La tensión superficial del petróleo que contenga gas
disuelto es extremadamente baja “las bajas tensiones superficiales tienden a
disminuir los efectos de la fuerza capilar en el desplazamiento de petróleo
crudo, en medios porosos mediante gases a alta presión”. El agua tiene mayor
fuerza capilar que el petróleo; en consecuencia, puede esperarse que el agua
ocupe los poros más pequeños, forzando al petróleo hacia los poros mayores.
Fluorescencia: Es el aspecto que presentan los hidrocarburos líquidos y
gaseosos por efecto de los rayos infrarrojos.
COMPOSICIÓN QUÍMICA
El petróleo, se compone principalmente de
carbono e hidrógeno en la porción 83-87% de C y de 11-14% de H. Contiene
abundantes impurezas de compuestos orgánicos en los que intervienen componentes
como el azufre, oxígeno, nitrógeno, mercaptanos, SO2, H2S, alcoholes mezclados
también con agua salada, ya sea libre o emulsionada, en cantidad variable. Como
impurezas, se encuentran también diversas sales minerales como cloruros y
sulfatos de Ca, Mg y Fe, su color varía entre ámbar y negro.
Los petróleos se clasifican de acuerdo con las series de hidrocarburos predominantes que los constituyen, las series que agrupan los hidrocarburos tienen propiedades semejantes y se representan por las siguientes fórmulas condensadas:
Dependiendo del
número de átomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que
integran el petróleo, se tienen diferentes propiedades que los caracterizan,
determinando su comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o
solventes.
Las cadenas lineales
de carbono asociadas a hidrógeno constituyen las parafinas; cuando las cadenas
son ramificadas se tienen las isoparafinas; al presentarse dobles uniones entre
los átomos de carbono se forman las olefinas; las moléculas en las que se
forman ciclos de carbono son los naftenos, y cuando estos ciclos presentan
dobles uniones alternas (anillo bencénico) se tiene la familia de los
aromáticos.
Hay
hidrocarburos con presencia de azufre, nitrógeno y oxígeno formando familias
bien caracterizadas, y un contenido menor de otros elementos. Al aumentar el
peso molecular de los hidrocarburos las estructuras se hacen verdaderamente
complejas y difíciles de identificar químicamente con precisión. Un ejemplo son
los asfaltenos que forman parte del residuo de la destilación al vacío; estos
compuestos además están presentes como coloides en una suspensión estable que
se genera por el agrupamiento envolvente de las moléculas grandes por otras
cada vez menores para constituir un todo semicontinuo.
REFINAMIENTO DEL
PETROLEO
El refinamiento
del petróleo es un proceso por el cual se separan los destilados valiosos
del petróleo y el gasóleo atmosférico. Es uno de los procesos que se
realizan tras la obtención del crudo para extraer combustibles fósiles y
otros productos, como los plásticos y otros elementos del día a día.
Es un proceso
complejo en el que se separan las moléculas de hidrógeno y carbono mediante una
serie de procesos. El tratamiento de estos hidrocarburos se realiza a alta
temperatura para que lleguen al punto de ebullición en el que se rompen.
El vapor producido por este proceso de calentar el crudo genera un vapor que se
condensa posteriormente creando todos los productos derivados del petróleo.
No obstante,
existen una serie de fases en el refinamiento del petróleo a tener en
cuenta en el proceso y que debes conocer.
FASES DEL
PROCESO DE REFINAMIENTO DEL PETROLEO
En cualquier proceso de refinamiento del petróleo hay unas fases comunes, que permiten que esta obtención de los derivados del crudo sea posible. Antes de la primera fase, puede que haya una previa en el que se precalienta el petróleo para su tratamiento posterior.
- Separación. En esta fase, se utiliza la destilación o la absorción para proceder a desalar y deshidratar el crudo para que cuando se caliente sea más sencillo que sus moléculas se separen.
- Craqueo. Mediante una fuente de calor, se calienta el petróleo hasta el punto de ebullición deseado para que las grandes cadenas de moléculas de hidrocarburos se rompan en moléculas más pequeñas.
- Fraccionamiento. El crudo ya calentado y listo para su tratamiento pasa a las columnas de fraccionamiento o destilación, donde se aplican unas temperaturas muy elevadas. Los productos derivados y componentes más ligeros como el gas se concentran en la parte más alta de la columna. Los más pesados quedan en la parte inferior.
- Extracción. Tras el tratamiento en la columna, se procede a la extracción del producto mediante la parte superior (para los componentes más ligeros), la parte inferior (para aquellos componentes pesados) y los laterales (para los componentes intermedios).
Tras su extracción, lo habitual es almacenar
el producto derivado del petróleo tras su refinamiento en tanques de
almacenamiento. Antes, lo más seguro es que hayan pasado por una unidad de
condensación para enfriar de forma adicional el producto y poder
reducir la temperatura derivada del proceso.
PRODUCTOS
OBETENIDOS DEL REFINAMIENTO DEL PETROLEO
En la columna de fraccionamiento, como hemos comentado, surgen distintos productos en función del punto de ebullición y la densidad tras calentar el crudo. Como ya sabes, no sólo se produce combustible derivado del petróleo, hay otros muchos productos que surgen tras este proceso.
- El gas licuado de petróleo es uno de los componentes menos densos y que apenas entra en ebullición a los 20ºC, por lo que es uno de los derivados más ligeros del petróleo.
- Los productos químicos también requieren menos temperatura para entrar en ebullición, logrando su salida al mercado tras un nuevo tratamiento similar hasta dar con el componente final necesitado.
- La gasolina para vehículos surge más o menos a los 120ºC de ebullición y dentro de la torre de fraccionamiento está en la zona superior. Tras su posterior tratamiento dará lugar a la gasolina 95 o 98 que tenemos en el mercado y que puedes encontrar en nuestras estaciones de servicio repartidas por Zaragoza.
- El siguiente derivado que surge en la torre de fraccionamiento es el combustible para aviones por la presencia del queroseno como producto previo. También la parafina y el gasoil para calefacción.
- A mitad de la torre aparecen los combustibles diésel, por lo que aquí puedes encontrar una de las grandes diferencias entre gasolina o diésel. En el proceso de refinamiento del petróleo, surgen a distintas ebulliciones y su densidad es completamente diferente.
- Uno de los productos más densos es el que posteriormente se va a utilizar para aceites, diferentes tipos de lubricantes o ceras.
- El último de los combustibles derivado del petróleo mediante el refinamiento es el combustible industrial o para barcos, que requiere una temperatura superior a los 600ºC para entrar en ebullición.
- Finalmente, en la parte más inferior de la torre de fraccionamiento aparecen los residuos con los que se hará posteriormente el betún para asfaltar o para hacer los techos de las viviendas.
El proceso de refinamiento del petróleo no
es fácil, pero la humanidad lleva años desarrollándolo para dos cosas: sacar un
rendimiento máximo y ser más respetuosos con el medio ambiente. El petróleo es
uno de los motores que mueve el mundo, y conocer su tratamiento y saber hacerlo
bien es fundamental para que el día a día siga siendo posible tal y como lo
conocemos.
El petróleo crudo no posee un uso práctico,
pero es una materia prima orgánica de gran valor que se utilizó desde los
inicios de la humanidad, con el tiempo ha demostrado alto potencial para
convertirse en una infinidad de productos y su utilización y explotación se ha
ido puliendo con el paso del tiempo.
El refinado del petróleo crudo es un proceso
por el cual el hidrocarburo se calienta en una caldera a 400º C para
poder ser destilado y separado. A este proceso se le conoce como Cracking. Y es gracias a esto que se pueden realizar diversos derivados del
petróleo que se encuentran en nuestro día a día. Si repasamos cuales son
estos productos y sus usos tendremos:
- Gasolina y naftas: La gasolina es la principal fuente de energía que utilizan los vehículos de combustión interna en el planeta, como es el caso de motos, tractores y automóviles propiamente.
- Keroseno: Este líquido transparente que se obtiene de la destilación de petróleo tiene múltiples y diferentes utilidades: como disolvente, para uso en la calefacción doméstica, para uso en motores a reacción y turbinas de gas e incluso, antiguamente se utilizaba como fuente de energía en aparatos de iluminación.
- Gasóleos: Mejor conocidos como Gasoil o Diésel, estos son muy utilizados por camiones y el transporte público por su costo inferior al de la gasolina.
- Fuelóleo: Qué es uno de los combustibles más pesados, es muy utilizado como combustible en plantas de energía eléctrica, en calderas y hornos a gas, así como también en buques y embarcaciones marítimas.
- Bencina o éter de petróleo: Es una materia prima muy utilizada para la fabricación de ciertos disolventes y además como el diluyente para tintas, ceras, betún, y productos industriales y/o de limpieza.
- Gases del petróleo: Entre los que se destacan el gas butano y propano, siendo el ejemplo más ilustrativo, la bombona que utilizamos para la cocina o calefacción, compuesta de gas butano, un tipo de gas licuado derivado del petróleo.
Entre otros derivados del petróleo que se destacan por su uso cotidiano, podemos destacar:
- Aceites: Utilizados como lubricantes y grasas.
- El asfalto: Que comúnmente conocemos por su presencia en el suelo de calles, autopistas y cualquier tipo de estructura superficial de uso público. En algunos sectores industriales es utilizado además como material sellante.
- Aditivos: De uso frecuente en motores de automóviles y maquinaria industrial.
Otra vía para que el petróleo y sus derivados lleguen a nuestra vida cotidiana, radica en la petroquímica, que a grandes rasgos implica la conversión de estos hidrocarburos en productos químicos que luego serán utilizados como materia prima para fabricar los siguientes elementos:
- Plásticos: Con los cuales se fabrican juguetes, botellas, artículos de cocina, envases, bolsas y miles de otros tantos productos que utilizan el polietileno como principal material y alquilbenceno.
- Telas sintéticas: Las cuales sustituyen a la lana y el algodón.
- Cauchos, gomas y látex.
- Vaselinas para uso personal.
- Pinturas, recubrimientos e impermeabilizantes: Siendo su principal componente el ácido naftecinco
- Jabones, cosméticos, perfume y tintes.
- Lubricantes para motor.
- Detergentes y plaguicidas: Para artículos del hogar, siendo su principal elemento el alquilbenceno.
- Ceras parafínicas: suelen emplearse para la producción de ceras para la limpieza doméstica y para la fabricación de papel parafinado.
La lista es enorme y no hace más que
demostrarnos, a importancia del petróleo y sus derivados en nuestras
vidas ya sea como fuente de energía o por su utilización como materia prima en
todos los sectores que hacen a la industria de un país
DESTILACION DEL PETROLEO CRUDO
Esto se consigue
en las refinerías de petróleo mediante un proceso de destilación: primero, se
calienta el crudo en un horno tubular con presión atmosférica a unos 370 °C, provocando
su evaporación. El vapor de petróleo crudo se transfiere a una torre de
destilación (denominada «torre de rectificación»), en la que el vapor se eleva
y se enfría. A continuación, diversos hidrocarburos se condensan a distintos
niveles en función de sus puntos de ebullición, por lo que pueden extraerse de
manera separada.
En los procesos
de destilación atmosférica nunca se superan los 400 °C porque, de lo contrario,
los componentes del crudo se podrían degradar («agrietamiento»). No obstante, a
estas temperaturas no se puede lograr una separación total, por lo que en la
base de la torre queda una mezcla de restos de hidrocarburos con puntos de
ebullición elevados: el denominado “residuo atmosférico”.
Este líquido
residual se somete a una segunda destilación al vacío. A una presión reducida
(vacío aproximado de entre 10 y 50 mbar), el punto de ebullición de la mezcla
es más bajo, lo que propicia una mejor separación a unas temperaturas solo un
poco más altas. El proceso permite separar los siguientes productos de alta
calidad:
Gasóleo de
vacío, destilados de cera y residuos de vacío como producto intermedio para un
nuevo procesamiento.
TIPOS DE
DESTILACION PARA EL PETROLEO
Existen diversos procesos para destilar el petróleo. La forma más habitual en el proceso de tratamiento del crudo es la fraccionada mediante una torre de fraccionamiento, pero existen otros tipos de destilación.
- Destilación simple. Se utiliza para aquellos productos en los que los puntos de ebullición son muy diferentes y mediante la condensación se puede extraer uno de los componentes con facilidad.
- Destilación fraccionada. Hablamos del principal tipo de destilación en el tratamiento del petróleo. Los componentes del crudo tienen distintos puntos de ebullición, que hacen que la temperatura deba ser distinta para cada uno de ellos. Por eso se utiliza una columna de fraccionamiento. En ella, los vapores se elevan en función de su densidad, creando distintos tipos de productos derivados.
- Destilación por arrastre. En este tipo de destilación, el elemento principal es el vapor, que se utiliza para destilar compuestos sensibles al calor. El vapor que surge de estos compuestos se condensa posteriormente para dar lugar a distintos aceites.
- Destilación al vacío. Se utiliza sobre todo para aquellos compuestos con puntos de ebullición muy altos, como puede ser el combustible de los aviones u otro tipo de combustibles con una función más industrial. Para su tratamiento, en vez de elevar la temperatura, se disminuye la presión para que los compuestos hiervan en condiciones concretas. Hay otra opción para aquellos compuestos sensibles al aire, en el que se utiliza un aislamiento del compuesto para su posterior tratamiento y ebullición.
- Destilación de corto recorrido. Con una presión reducida, el compuesto debe recorrer un espacio concreto antes de entrar en ebullición. Se utiliza para compuestos que tienen un comportamiento aleatorio cuando se someten a altas temperaturas.
Las refinerías
disponen de distintas torres de destilación fraccionada en la que se
trabaja con presión atmosférica para el tratamiento del crudo. Una vez tratado
en estas torres, sigue el proceso de tratamiento para acabar en el producto
final. Recuerda que los litros
de gasolina de un barril de petróleo no son el 100% y que del crudo se
pueden obtener otros muchos productos que utilizas en tu día a día.
El petróleo
llega a las refinerías a través de distintos métodos, ya que los yacimientos y
puntos de extracción del crudo están por todas partes. Una vez llega a estos
centros, el procedimiento de extracción del combustible es lo que permite que
puedas moverte en tu vehículo si tienes un coche diésel
o gasolina. No obstante, los esfuerzos de los últimos años de las grandes
petrolíferas es trabajar el petróleo de manera más limpia, con la
intención de poder, no solo reducir
las emisiones contaminantes de los vehículos, también las derivadas del
tratamiento del petróleo.
EL DIESEL
El carburante
o combustible diésel,
también conocido como gasóleo o gasoil, es un producto que se
obtiene a partir de la destilación y la purificación del petróleo crudo.
Este combustible se emplea en los motores diésel, creados por el
mencionado ingeniero alemán en 1893: se trata de motores de combustión
interna en los cuales, por la elevada temperatura que registra el aire
comprimido en su cilindro, el combustible se auto inflama cuando es inyectado
en la cámara. Un vehículo diésel, por su parte, utiliza esta clase de
motor y funciona con el mencionado combustible.
La principal
característica del motor diésel es que la elevada temperatura que deriva de la
alta relación de compresión permite que el combustible se auto inflame. La
compresión, por lo tanto, aumenta la temperatura de la cámara de combustión:
cuando el combustible (el gasoil, gasóleo o diésel) es inyectado y se mezcla
con el aire caliente, se produce su autoinflamación. No se necesita, por lo
tanto, de una chispa, como sí ocurre en los motores de gasolina. La combustión, a su vez, provoca la
expansión del gas de la cámara y desplaza el pistón hacia fuera.
PROPIEDADES Y COMPOSICION
DEL DIESEL
En 2010 la
densidad del diésel o gasóleo obtenido de petróleo era aproximadamente de
0,832 kg (1,8 libras)/L, que varía según la región, un 12% más que la
gasolina que tiene una densidad de 0,745 kg (1,6 libras)/L.
Aproximadamente el 86.1% del diésel es carbono y
cuando se quema se obtiene un poder calorífico de 43,1 MJ
(12,0 kWh)/kg, contra 43,2 MJ (12,0 kWh)/kg de la gasolina. Sin
embargo, debido a la mayor densidad, el diésel ofrece una densidad
volumétrica energética de 35,86 MJ (10,0 kWh)/L contra los
32,18 MJ (8,9 kWh)/L de la gasolina, lo que supone un 11% más, que
podría considerarse notable cuando se compara la eficiencia del motor diésel
frente al de ciclo Otto. Las emisiones de CO2 del diésel
son de 73,25 g (2,6 onzas)/MJ, ligeramente más bajas que la
gasolina, con 73,38 g (2,6 onzas)/MJ.
El diésel está compuesto aproximadamente de un 75% de hidrocarburos saturados, principalmente parafinas incluyendo isoparafinas y cicloparafinas; y un 25% de hidrocarburos aromáticos, incluyendo naftalenos y alcalobencenos.5 La fórmula química general del diésel común es C12H26, incluyendo cantidades pequeñas de otros hidrocarburos cuyas fórmulas van desde C10H22 a C15H32.
BALANCE DE
MATERIA
La aplicación de
los BM no es conceptualmente complicada, y sus fundamentos teóricos pueden
consultarse con detalle en textos como los que se incluyen en la sección de
búsqueda de información [Balances de Materia y Energía], junto con numerosos
ejemplos de aplicación a diferentes operaciones y procesos. A continuación, se
repasan las ideas básicas para el planteamiento de los BM, y se indican posibles
estrategias para su utilización en el PFC.
Los BM se basan en la ley de conservación de la materia, la cual, rigurosamente
hablando, hay que aplicarla al conjunto materia-energía, y no a la materia o
energía por separado. Sin embargo, en las condiciones que se dan en los
procesos industriales objeto de los PFC en la UGR, al no abordarse el caso de
los reactores nucleares, no existe transformación de materia en energía o
viceversa, con lo que la forma general del balance de materia TOTAL a un sistema
será:
La forma del balance a cada uno de los
componentes será la misma, excepto cuando existe reacción química, ya que en
ese caso habrá que considerar la aparición o desaparición de los componentes
individuales por efecto de la reacción (sin embargo, la masa total del sistema nunca
variará). Por ello el BM al componente ‘i’ tendrá la forma:
Una situación muy frecuente es que el proceso sea continuo, con lo cual el término de acumulación será 0. Tal y como se ha indicado los BM se pueden aplicar a una unidad de proceso (un equipo), como a todo el proceso completo. Para una unidad o equipo, podrán plantearse tantos BM independientes como componentes intervienen en el mismo, y a un proceso completo se le podrán plantear un número de BM independientes igual a la suma de los de todas las unidades de este, entendiendo como unidades de un proceso los equipos u operaciones que lo integran.
Además, en
algunos casos existen relaciones impuestas entre las distintas corrientes que
nos pueden servir como ecuaciones adicionales a los BM.
En general el
planteamiento y la resolución de los BM exige “manipular” y trabajar con la
información disponible, ensayando distintas estrategias, hasta llegar a una
solución aceptable y físicamente coherente, pues en ningún caso podrá salir del
sistema más materia de la que entra o viceversa.
DESCRIPCION
DEL PROCESO
DIAGRAMA DE FLUJO
DESCRIPCION DE LAS ETAPAS DEL PROCESO
Recepción de materia prima
La
extracción, producción o explotación del petróleo se hace de acuerdo con las
características propias de cada yacimiento. Para poner un pozo a producir se
baja una especie de cañón y se perfora la tubería de revestimiento a la altura
de las formaciones donde se encuentra el yacimiento. El petróleo fluye por esos
orificios hacia el pozo y se extrae mediante una tubería de menor diámetro,
conocida como "tubería de producción”. Si el yacimiento tiene energía propia,
generada por la presión subterránea y por los elementos que acompañan al
petróleo.
Almacenamiento
El
petróleo crudo es depositado en grandes tanques de acero, la cual serán
utilizados para obtener los demás subproductos.
Evaporador
En esta etapa lo principal es
eliminar la mayor cantidad de agua que tiene el petróleo crudo para así entrar
en la siguiente etapa de desalinización. Se usará un evaporador para reducir el
porcentaje de agua del flujo.
Desalado
El
desolador se instala típicamente en el tren de intercambio de calor que
calienta el petróleo crudo entrante antes que alcance la torre de destilación.
El desalador se encuentra normalmente en el punto donde el crudo entrante ha
sido calentado aproximadamente a 125 ° C. En ese punto, se inyecta agua dulce y
se mezcla en el flujo continuo de petróleo crudo. Se ingresa Agua en contra
corriente del Crudo, esta acción es debida a la no compatibilidad que tiene el
agua con el crudo para eliminar las sales que contiene el crudo.
Calentamiento
Este
proceso se lo realiza mediante hornos que se encuentra una zona de radiación,
donde el fuego pega directamente sobre los tubos horizontales o verticales
(hornos de tipo rectangular). Por encima se encuentra una zona de convección
que aprovecha el calor de los gases de combustión que suben desde la sección de
radiación. En este proceso el petróleo crudo se calienta a temperaturas de
400°C, hasta evaporar el crudo y los vapores son conducidos hasta la torre de
destilación.
Torre
Fraccionaria
Los
vapores del domo de la torre atmosférica se enfrían y condensan parcialmente en
el intercambiador de Crudo/vapores domo de la torre de destilación atmosférica,
donde se obtienes los gases ligeros, pesados y residuos, donde en los pesados
se encuentra el Diésel.
En este
proceso se obtienen fracciones y no productos puros. Donde cada sustancia
dentro del petróleo destila a distinta temperatura, a partir de una temperatura
fija se obtiene una sustancia predeterminada. Luego de pasar por el horno,
donde se calienta (hasta un máximo 400 °C), y se convierte en vapor, pasando
luego hacia las altas torres. Una vez en la torre, los vapores ingresan (por
debajo) y suben hasta llegar a las bandejas. Mientras los vapores van subiendo,
se condensan mediante enfriamiento, ya que pierden calor y se depositan
automáticamente en sus respectivas bandejas. Luego de entrar en las bandejas,
cada sustancia tiene ya su lugar determinado, mientras que el resto del
petróleo que no se evaporó (crudo reducido) cae hacia la base.
Continuación de pueden observar las
temperaturas de los derivados del petróleo.
Torre Stripping
Los pesados
pasan una segunda destilación en la torre de stripping que se dividirán el
demás componente según su punto de ebullición. Aquí es donde obtenemos Diésel
sulfurado que se tendrá q pasar un proceso para extraer la cantidad exceso de
Azufre.
Hidro sulfuración
Este proceso químico está destinado a eliminar el azufre combustible diésel, constan básicamente de un sistema de reacción donde los compuestos orgánicos de azufre reaccionan con el hidrógeno para obtener compuestos orgánicos y ácido sulfhídrico, un sistema de separación para eliminar los compuestos ligeros del diésel.
Descripción
del problema
En una refinería del país al día se procesa 963000 litros de petróleo
crudo, por medio de su densidad se define que el flujo de extracción del
petróleo es de 789660 kg/día, con una composición de 85.5% de C, 12.30 % de H,
1% de S, 0.20% N, 0.4% de H2O y un 0.60% de sales. El cual es almacenado y
cuando se envía para su debida refinación. Este es enviado por medio de bombas.
Para entrar a la desalinizadora el petróleo no debe tener agua por lo que se
calienta para evaporar el agua del petróleo crudo donde se extrae 3150 kg/día,
en la desalinizadora entra 786510 kg/día de petróleo que en donde se extrae la
mayor cantidad de sales donde salen 4640.409 queda un porcentaje mínimo de
sales. El crudo ingresa a las torres donde encontraremos los diferentes
derivados del petróleo y en este proceso se establece que se obtienen 2% de
hidrocarburos ligeros, 17% de gasolina, 17 % de nafta, 13% de queroseno, 30% de
diésel 10% de lubricantes y un 11% de alquitrán. El diésel y los demás
derivados del petróleo tienen un porcentaje de compuesto A sulfurado. En esta
etapa el diésel este conformado por 74% de parafina un 24% de aromáticos y un
2% de compuesto sulfurado. Al diésel se le practica un proceso de
hidrosulfurado donde el compuesto sulfurado reacción con H2 y se encuentran las
reacciones:
encontrar
la cantidad de Diésel que saldría del proceso y cuantos barriles se obtienen si
estos tienen una presentación de 150 L.
1
objeto
- Determinar
la cantidad de diésel obtenido al final del proceso.
- Determinar la cantidad de
barriles que se obtienen a partir de la cantidad de diésel.
- Encontrada Determinar la
cantidad de Materia que no se convierte en diésel encontrado.
- Determinar la cantidad de H2
que se requiere para producir las reacciones químicas.
2 Esquema y Datos
tenemos la cantidad de petróleo que se extrae en litros, pero para efectos de cálculo es importante transformarlo en kg y para eso debemos saber que el petróleo crudo que extraemos tiene una densidad de 820 kg/m3
En la tabla de petróleo crudo tenemos la composición de este mismo en porcentaje y en la tabla Masa encontramos en Kg la cantidad que se va a procesar por día la cual es de 789660 kg/día
3 cálculos
Etapa 1 recepción de materia prima
En este punto analizaremos la entrada del petróleo
crudo donde pasa por las tuberías de extracción y se transportan al área de
Almacenamiento, no hay reacciones químicas.
Aplicamos la fórmula de balance general en donde
no se reflejan cambios y vemos que lo que entra es lo mismo que lo que sale, se
simplifica las reacciones químicas y las acumulaciones producidas.
Etapa 2
Almacenamiento
Después de pasar por las tuberías la materia entra al área de almacenamiento en donde tampoco se generará reacciones químicas o acumulaciones.
Al
igual que la etapa anterior solo es una etapa de transición en donde la materia
de cambia y vemos los mismos porcentajes de los componentes tanto en la entrada
que en la salida.
Etapa 3 Evaporador
Para esta etapa conocemos la cantidad de masa que sale de la línea F4 lo cual es de 3150 kg/día y con esto podemos encontrar la salida en la línea F5 en donde sale 786510 kg/día. Debemos determinar los nuevos porcentajes de cada compuesto del petróleo con lo cual hacemos balances específicos y con esto el restante será el agua que aún queda en el petróleo crudo.
Porcentajes de los compuestos en el petróleo de salida.
Después
de encontrar el porcentaje de cada compuesto en el flujo de salida F5 se suman
estos y el porcentaje que falta es el porcentaje de agua que tiene el flujo F5
con los porcentajes podemos determinar la masa de cada uno de ellos la cual se
refleja en la siguiente tabla en donde se ven los porcentajes y las masas de cada
uno de los compuestos.
Determinamos
que al día el flujo de petróleo crudo aún tendrá un restante de 8.64 kg/día de
agua representando un 0.001% de toda su composición.
Etapa 4
Desalinizadora
En esta etapa es importante quitar la mayor cantidad de agua en los evaporadores para asi poder quitar las sales del crudo con un flujo contracorriente de agua, esta etapa se usa para mejorar la calidad de crudo.
Se realizan cálculos similares ya que el concepto es el mismo que el evaporador con la diferencia de que este se aplica ahora en las sales.
Porcentajes de los compuestos en el petróleo de salida
Aplicamos el mismo principio, se suman todos los porcentajes y el
restante es la cantidad de sales en porcentaje que quedo, con estos porcentajes
podemos ver las masas de los compuestos.
La cantidad de sales que sigue en el petróleo es de 87.96 kg/día y la
masa en general ahora es de 781860 kg/día.
Etapa 5 y 6 Calentamiento y
Fracción de petróleo
En esta etapa el petróleo ya lavado y desalado es calentado y pasado por
una torre de fracción en donde tendremos dos salidas la cual son de gases
ligero y los pesados en donde se encuentra el diésel
En esta etapa podemos ver
como se fracciona el petróleo que sale del desalinizador en dos sub productos
que sirven para conseguir gases ligeros lo cual es el 2% o 15637 kg/dia y los
pesados que entre ellos está la gasolina.
Etapa 7 Torre stripping
En esta torre tomaremos la fracción del diésel sulfurado para
posteriormente en otra etapa procesarlo para obtener otros productos.
Etapa 8 Hidrosulfurado de
Diésel
En esta etapa pasaran reacciones químicas ya que para generar estas
reacciones tiene que combinarse el diésel sulfurado con hidrogeno molecular y
así obtener barios sub productos a más del diésel listo para llenar los
barriles.
Usaremos el compuesto de azufre para determinar
la cantidad de hidrogeno sulfurado y ver la cantidad de otros compuestos se
crean y así de esta forma encontrar por el balance general la cantidad de
Diésel que sale del proceso para ser puesto en los barriles.
En esta tabla vemos los kg/ kmol que podemos usar para determinar los kmol que se generan a partir de la división de los compuestos que salen a partir de los 4691 de los compuestos de azufre.
La
siguiente tabla es para ver lo que se genera y poder determinar cuando h2 se va
a requerir para cada compuesto pueda reaccionar.
Estos kmol encontrados sirven para relacionar con las formulas antes vistas y remplazar tomando en cuenta las cantidades que se generan y entran.
En las
salidas vemos los compuestos y las cantidades que se generan y a más de esto
vemos las kmol de hidrogeno molecular que se requieren la cual es de 120 kmol
valor que se multiplica por dos, con la suma de los otros compuestos determinamos
las salidas de los otros compuestos y con esto tenemos los datos necesarios
para hacer un balance de materia y determinar la cantidad de Diésel se
producen.
CONCLUSIONES
La refinación de
petróleo es el principal proceso en la cadena de suministro que permite la
conversión a productos refinados, el resto de las operaciones le agregan valor
mediante transformaciones físicas y químicas.
Gracias a los
conocimientos adquiridos dentro del proceso de aprendizaje de las diferentes
materias, se pudo determinar las diferentes procesos y operaciones que se
realizan dicha planta industrial de combustible fósil para la obtención de
diésel.
La cantidad de Diésel procesado que obtenemos en nuestro proceso es de
280.32 m3 lo cual para encontrar la cantidad de barriles de 150 L que vamos a
conseguir se necesita saber su volumen en L la cual da un valor de 280325
litros en donde estos no dan como resultado de 1869 barriles al día, de la
materia de diésel sulfurado encontramos otros sub productos como el Butano,
Acido sulfúrico y Hetano en donde su salida de materia es de un total de 4931
kg al día estas reacciones químicas necesitan 240.7 kg al día de hidrogeno
molecular para que se produzcan las reacciones. en este proceso vemos
importantes cambios de materia la cual sirve para tener un mejor concepto de
este tema que ayude a nutrir los conocimientos.
RECOMENDACIONES
Para la
aplicación de estos métodos se debe tener en cuenta toda la información
relacionada dentro de dicha planta industrial de combustible fósil para su
diseño.
Para la puesta en práctica los datos usados en el sistema deben ser reales para obtener un valor que se asemeje lo más posible a la realidad.
ANEXOS
VIDEO EXPOSITIVO DEL TEMA
ARCHIVO PDF DEL PROYECTO ELABORADO
https://drive.google.com/file/d/1gLxitnWMcDfiqe5OLQvugzU2iPCCGnJd/view?usp=sharing
ARCHIVO EXCEL DE CALCULOS ELABORADOS DEL PROYECTO (formato de descarga, no aplica vista por Google)
ARCHIVO DEL DISEÑO EN 3D FORMATO SKETCHUP (formato de descarga, no aplica vista por Google)
https://drive.google.com/file/d/1GtpBeFeVMX4QGWHwdD-9EzJl4ZPyqPSu/view?usp=sharing
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