Diseño de una planta de desalacion de crudo a escala banco
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA DISEÑO DE UNA PLANTA DE DESALACIÓN DE CRUDO A ESCALA BANCO Por: Anisabel María Figuera García INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Químico Sartenejas, Octubre de 2009 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA DISEÑO DE UNA PLANTA DE DESALACIÓN DE CRUDO A ESCALA BANCO Por: Anisabel María Figuera García Realizado con la asesoría de: Tutor académico: Alexis Bouza Tutor Industrial: Edgar López INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al titulo de Ingeniero Químico Sartenejas, Octubre de 2009 RESUMEN El petróleo crudo, luego de su extracción puede contener o puede haber sido contaminado por agua en suspensión o emulsionada, sales, barro y otras impurezas no – orgánicas que deben ser eliminadas antes de pasar al proceso de refinación. El proceso de remoción de sales se denomina desalación del crudo. El objetivo de la presente investigación consistió en el diseño de una planta de desalación de crudo a escala banco, la cual estará destinada a formar parte del conjunto de laboratorios de PDVSA – Intevep. Para alcanzar dicho objetivo se realizó una revisión bibliográfica exhaustiva, luego se estableció el procedimiento constituido por las bibliografías de diseño de plantas químicas, realizando a su vez un procedimiento experimental detallado para el diseño del equipo principal de la planta, el desalador. Como resultado de este procedimiento de diseño se determinó que para desalar un crudo la aplicación de un campo eléctrico uniforme acoplado a un aumento de temperatura e inyección de química desemulsificante son factores primordiales para la separación de las fases agua y crudo de la emulsión bifásica formada inicialmente. Dicho proceso se puede dividir en cinco etapas: inyección de agua fresca y química desemulsificante, mezclado, calentamiento, separación y enfriamiento; obteniéndose un diagrama de flujo de proceso constituido por tanques, bombas, intercambiadores de calor, una válvula de mezclado, un filtro y el desalador electrostático. Las conclusiones más relevantes derivadas del procedimiento de diseño establecido para el equipo desalador fueron las siguientes: Las especificaciones más exigentes de sal en el crudo tratado son menores a 1 PTB; la escogencia del tipo de carga es un factor determinante en el diseño del proceso de desalación de crudo; el valor máximo más común de temperatura de operación del desalador es de 149° C (300° F) y al operar con temperaturas altas se requieren presiones de operación igualmente altas para evitar la vaporización. La recomendación más importante derivada del diseño realizado consistió en estudiar la posibilidad de que exista un polímero transparente que resista las condiciones de operación del equipo, así como también estudiar las condiciones para la instalación de un visor de vidrio en el mismo. Palabras clave: diseño de plantas de proceso, desalación, desalador electrostático, crudo, emulsión agua en crudo, campo eléctrico uniforme, coalescencia. iv DEDICATORIA A mis padres, Ana García y Augusto Figuera, por todo el amor y el apoyo que me han ofrecido, porque gracias a ellos hoy soy lo que soy. A mis hermanos, Luisana Figuera y Jesús Figuera, por estar allí siempre. A mis sobrinos, Asier y Zoe, por alegrarme la vida. A mi novio, Oscar Rangel, por demasiadas cosas… v AGRADECIMIENTOS Ante todo agradezco a Dios, que me acompañó durante toda mi carrera y me dio la fortaleza y la paciencia para realizar mis pasantías y culminarlas exitosamente… A mis padres, Ana y Augusto, por todo el apoyo sentimental, económico y emocional que me brindaron durante toda mi carrera. Especialmente a mi madre, que siempre se mantuvo firme a mi lado, tanto en los mejores como en los peores momentos, y me enseñó que todo se aprende y que todo esfuerzo es al final recompensado. No se imaginan cuánto les agradezco haberme proporcionado los medios para estudiar y convertirme hoy en día en un profesional… A mi hermana, Luisana, y a su esposo, Gorka, que durante toda mi carrera estuvieron a mi lado proporcionándome alojamiento, cariño y calor de hogar. Gracias por todo el apoyo y la ayuda que me brindaron, siempre recordaré todas las cosas que hicieron por mí… A mi hermano Jesús por cuidarme siempre… A mi novio Oscar, que siempre ha sido mi apoyo en todos los sentidos; siempre estuvo en los momentos en que me caía para darme una mano y ayudarme a levantarme. Pero también acompañándome en los momentos de celebraciones y alegrías, tal como hoy sigue a mi lado celebrando esta culminación de una etapa de mi vida. Espero seguir contando contigo… A todos mis amigos pasados y presentes; a unos, por ayudarme a crecer y a madurar como persona; a otros, por seguir a mi lado apoyándome y compartiendo esta alegría conmigo. En especial a mis amigas Mónica, Lucianna y Zulaika: gracias por estar allí siempre… A todos los profesores que me dieron clases durante toda mi carrera, especialmente a aquellos que dejaron una marca en mí, difícil de olvidar; entre ellos, los profesores Rafael Bayon, Heinz Krentzien, Sabrina Di Scipio, Jon Zurimendi, Ursula Ehrmann y muchos más; quisiera nombrarlos a todos, pero me faltaría tiempo y espacio para hacerlo. A la empresa PDVSA Intevep por darme la oportunidad de realizar mi proyecto de pasantías dentro de sus instalaciones y a la Gerencia Técnica de Residuales y Pesados por toda la colaboración prestada. A mi primo, Miguel Paiva, gracias a cuya perseverancia encontré este proyecto de pasantías, que hoy finalizo. ¡Gracias por estar allí todos esos meses que estuve en Intevep! A mi tutor industrial, Edgar López, que me acompañó durante todo el trayecto de mis pasantías, ayudándome y apoyándome en todo lo que necesitaba. Gracias por ofrecerme este proyecto de pasantías, ¡no hubiese podido elegir un mejor tutor! A mi tutor académico, Alexis Bouza, por todos sus consejos, y por otorgarme la seguridad necesaria para finalizar este proyecto con éxito. Y a todos aquellos que quizás no nombré, pero que también fueron partícipes en la culminación de mi carrera y de este proyecto de pasantías, ¡Gracias! vi ÍNDICE GENERAL RESUMEN IV DEDICATORIA V AGRADECIMIENTOS VI ÍNDICE GENERAL VII ÍNDICE DE TABLAS XI ÍNDICE DE FIGURAS XIII LISTA DE SIMBOLOS XIV LISTA DE ABREVIATURAS XVIII INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA 4 1.1. Misión y visión 4 1.2. Valores 4 1.3. Principales objetivos 4 1.4. Infraestructura 5 1.5. Organización de la empresa 5 1.5.1. Gerencias generales 5 1.6. Gerencia técnica de residuales y pesados (RIRP) 8 1.6.1. Objetivo 8 1.6.2. Funciones 8 CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN A LA DESALACIÓN DE CRUDO 9 2.1. Emulsiones agua en crudo 9 2.2. Deshidratación de crudo 11 2.3. Desalación de crudo 14 CAPÍTULO 3. NOCIONES BÁSICAS DEL PROCESO DE COALESCENCIA DE LAS GOTAS BAJO LA INFLUENCIA DE UN CAMPO ELÉCTRICO 16 3.1. Electro – coalescencia 16 3.2. Fuerzas que actúan sobre una gota de agua en un medio viscoso y bajo la acción de un campo eléctrico 17 3.3. Campo eléctrico 19 3.4. Campo eléctrico crítico 21 vii CAPÍTULO 4. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO ESTABLECIDO PARA PLANTAS DE PROCESO 23 4.1. Alcance 23 4.2. Diseño del Proceso 23 4.3. Balance de Masa 24 4.4. Diagrama de Flujo Detallado 24 4.5. Dimensionamiento de los Equipos 24 4.6. Lista de Equipos 24 4.7. Distribución en Planta 25 4.8. Control del Proceso e Instrumentación 26 4.9. Balance de Energía del Proceso 26 4.10. Filosofía de Seguridad 26 CAPÍTULO 5. METODOLOGÍA Y DESARROLLO 28 5.1. Alcance del proceso 29 5.2. Diseño del proceso 29 5.3. Diseño del desalador 30 5.3.1. Requerimientos de diseño 30 5.3.2. Propiedades de los fluidos de proceso 31 5.3.3. Balance de masa en el desalador 34 5.3.4. Dimensiones del equipo 36 5.3.5. Diseño eléctrico del equipo 39 5.3.6. Niveles de interfaz, internos, control y material del desalador 47 5.4. Balance de masa y diagrama de bloques del proceso 54 5.5. Diagrama de flujo del proceso 55 5.6. Balance de energía del proceso 56 5.7. Especificaciones de los otros equipos del proceso 58 5.7.1. Intercambiadores de calor 58 5.7.2. Bombas 60 5.7.3. Tanques 60 5.7.4. Válvula de mezclado 61 5.7.5. Otros equipos 61 5.8. Lista de equipos 61 viii 5.9. Distribución de equipos en planta 61 5.10. Filosofía de control del proceso y diagrama de tubería e instrumentación 62 5.11. Procedimiento de arranque y parada 62 5.12. Filosofía de Seguridad 63 CAPÍTULO 6. ESTABLECIMIENTO DEL DISEÑO Y DISCUSIONES 64 6.1. Alcance del proceso 64 6.2. Diseño del Proceso 66 6.3. Diseño del desalador 67 6.3.1. Requerimientos de diseño 67 6.3.2. Propiedades de los fluidos de proceso 68 6.3.3. Balance de masa en el desalador 68 6.3.4. Dimensiones del equipo 70 6.3.5. Diseño eléctrico del equipo 70 6.3.6. Niveles de interfaz, internos, control y material del desalador 71 6.4. Diagrama de flujo del proceso 74 6.5. Balance de masa y diagrama de bloques del proceso 74 6.6. Balance de energía del proceso 78 6.7. Diseño de los otros equipos del proceso 81 6.7.1. Intercambiadores de calor 81 6.7.2. Bombas 84 6.7.3. Tanques 86 6.7.4. Válvula de mezclado 87 6.7.5. Otros equipos 88 6.8. Lista de equipos 88 6.9. Distribución de equipos en planta 91 6.10. Diagrama de Tubería e Instrumentación 91 6.11. Procedimiento de Arranque y Parada 94 6.12. Filosofía de Seguridad 99 6.13. Establecimiento del diseño 101 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 102 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 104 APÉNDICE A. PLANOS DEL DESALADOR 108 ix APÉNDICE B. DESCRIPCIÓN ADICIONAL DE ALGUNOS EQUIPOS DEL PROCESO 110 B.1. Cintas de calentamiento flexibles 110 B.2. Bombas manivela polar 110 B.3. Bombas neumáticas 112 APÉNDICE C. LISTA DE VÁLVULAS 113 APÉNDICE D. TOXICOLOGÍA DE LOS FLUIDOS DE PROCESO 116 x ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Respuestas de las gotas de agua de acuerdo al tipo de campo eléctrico y su respectiva condición de coalescencia 18 Tabla 5.1. Identificación de los niveles de interfaz 48 Tabla 5.2. Niveles de la interfaz en función de la distancia desde el fondo hasta el electrodo inferior 49 Tabla 6.1. Alcance del proceso 64 Tabla 6.2. Propiedades del crudo a utilizar 67 Tabla 6.3. Propiedades de los fluidos de proceso 68 Tabla 6.4. Balance de masa en el desalador 69 Tabla 6.5. Dimensiones del desalador 70 Tabla 6.6. Parámetros eléctricos del diseño del desalador 71 Tabla 6.7. Niveles de interfaz 71 Tabla 6.8. Dimensiones del distribuidor 72 Tabla 6.9. Dimensiones del colector 72 Tabla 6.10. Temperatura y presión de cada corriente 76 Tabla 6.11. Densidades de cada componente para cada corriente y temperatura 77 Tabla 6.12. Peso molecular para cada componente 77 Tabla 6.13. Flujo másico de cada componente para cada corriente 78 Tabla 6.14. Calor específico de cada componente a la temperatura de la corriente 79 Tabla 6.15. Principales equipos de la planta y sus características 80 Tabla 6.16. Calor transferido en el punto de mezcla agua-carga 81 Tabla 6.17. Especificaciones del intercambiador de calor E-1001 81 Tabla 6.18. Especificaciones del intercambiador de calor E-1002 82 Tabla 6.19. Especificaciones del intercambiador de calor E-1003 83 Tabla 6.20. Especificaciones del intercambiador de calor E-1004 83 Tabla 6.21. Especificaciones de la bomba P-1001 84 Tabla 6.22. Especificaciones de la bomba P-1002 84 Tabla 6.23. Especificaciones de la bomba P-1003 85 Tabla 6.24. Especificaciones de la bomba P-1004 85 xi Tabla 6.25. Especificaciones del tanque T-1001 86 Tabla 6.26. Especificaciones del tanque T-1002 86 Tabla 6.27. Especificaciones del tanque T-1003 87 Tabla 6.28. Especificaciones del tanque T-1004 87 Tabla 6.29. Especificaciones de la válvula de mezclado PDCV-1001 87 Tabla 6.30. Especificaciones de otros equipos del proceso 88 Tabla 6.31. Lista de equipos de la planta 88 Tabla C.1. Lista de válvulas 113 Tabla D.1. Toxicología del petróleo crudo 116 Tabla D.2. Toxicología del BPR-23025 desemulsificante 120 Tabla D.3. Toxicología del gasóleo 125 Tabla AD.4. Toxicología del Nitrógeno 128 xii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Organización básica de la empresa 6 Figura 1.2. Esquema de la Gerencia General de Exploración y Producción 7 Figura 1.3. Esquema de la Gerencia General de Refinación e Industrialización 7 Figura 1.4. Esquema de la Gerencia General de Servicios 8 Figura 2.1. Formas existentes del agua salina asociada en la producción de crudo 9 Figura 2.2. Enfoque básico del manejo de petróleo crudo 14 Figura 3.1. Vista típica de los componentes principales requeridos para el campo AC 21 Figura 4.1. Flujo grama representativo del procedimiento de diseño de una planta química 27 Figura 5.1. Deformación de la gota de agua bajo el efecto del campo eléctrico 43 Figura 5.2. Elongación teórica de la gota en función del campo aplicado 43 Figura 5.3. Fuerzas que actúan en la gota de agua emulsionada bajo el campo eléctrico 46 Figura 5.4. Dibujo representativo de la forma y dimensiones del distribuidor 50 Figura 5.5. Dibujo representativo de la forma y dimensiones del colector 52 Figura 6.1. Diagrama representativo de las etapas del proceso 66 Figura 6.2. Diagrama representativo de la distribución de los niveles de interfaz 72 Figura 6.3. Vista 3D del sistema mud-wash 73 Figura 6.4. Diagrama de flujo del proceso 75 Figura 6.5. Diagrama de bloques del proceso 79 Figura 6.6. Distribución de equipos en planta 92 Figura 6.7. Diagrama de tubería e instrumentación 93 Figura A.1. Vista 3D del desalador 108 Figura A.2. Plano 2D del desalador 109 Figura B.1. Algunas aplicaciones de las cintas de calentamiento flexibles 111 Figura B.2. Bomba del tipo polar crank (manivela polar) 111 Figura B.3. Bomba de tipo neumática 112 xiii LISTA DE SIMBOLOS Castellanos a Diámetro mayor de la gota deformada [µm] A Área [m2] An Ancho [mm] API Gravedad API del crudo b Diámetro menor de la gota deformada [µm] BB Parámetro de Brock & Bird C Concentración %p/p C1 Constante en función de la viscosidad cinemática del crudo C2 Constante en función de la viscosidad cinemática del crudo Cf Factor de corrección en función de la presión de vapor de Reid Co Constante que depende de la presión de vapor de Reid Cp Calor específico a presión constante [cal/g°C], [J/kgK] CTEMP Parámetro que depende de la temperatura D Diámetro del desalador [m] dm Diámetro promedio de la gota de agua [µm] dp Diámetro de la tubería del distribuidor [m] Ec Campo eléctrico crítico [kV/m] Eo Campo eléctrico aplicado [kV/m] ex Excentricidad de la gota deformada F1 Relación entre la longitud efectiva y el diámetro del desalador F Fuerza [N] Fe Flujo volumétrico del agua de dilución [bbl/día] Fo Flujo másico de crudo [kg/s] g Aceleración de la gravedad [m/s2] GE Gravedad específica del crudo h Distancia [m] I2: Parámetro de Sjöblom Kp: Constante de campo eléctrico crítico L Lungitud [m] m Flujo másico [kg/s] xiv M Masa [kg] N Número P Presión [psi] PM Peso molecular PTB Concentración de sal en libras por mil barriles de crudo Qo Flujo volumétrico de crudo [bbl/día] Qh Transferencia de calor en el sistema [cal/s], [W] R Radio [m] RVP Presión de vapor de Reid [psi] S Flujo de sal [kg/día] Se Separación [m] T Temperatura [°F] [°C] [K] t Tiempo [s] tr Tiempo de residencia [s] TVP Presión de vapor verdadera del crudo [psi] U Coeficiente global de transferencia de calor [W/m2°C] UOPk Factor característico del crudo V Voltaje aplicado [kV] Ve Velocidad [m/s] Vo Volumen [m3] W Corte de agua en el crudo desalado en función del flujo de crudo, % v/v We Número de weber Wh Transferencia de trabajo en el sistema x Composición molar Z Parámetro en función de la viscosidad cinemática del crudo Griegos ∆E Acumulación de energía en el sistema [cal/s], [W] ∆T Diferencia de temperatura entre la temperatura [°C] ε Constante dieléctrica ε1 Permitividad del vacío [F/m] θ Angulo central del recipiente, [rad] λ Tensión interfacial/superficial [mN/m] µ Viscosidad [Pa.s] xv ρ Densidad [kg/m3] υ Viscosidad cinemática [cSt] Subíndices a Flotación b Electroforética bo Punto de ebullición bs Boquilla – superficie de choque cd Crudo desalado cifo Fluido caliente entrante – fluido frío saliente cofi Fluido caliente saliente – fluido frío entrante crit Crítica d Arrastre des Diseño dil Dilución dip Dipolar dis Distribuidor ee Entre electrodos eff Efectiva eg Entre gotas el Electrostática ele Electrodos ele_i Electrodo inferior ele_s Electrodo superior esi Electrodo superior – interfaz ext Externo fluid Fluido g Gravitacional g-g Interacciones gota-gota gw Gota de agua i Componente i if Interfaz-fondo del desalador in Entrante m Agua de mezclado xvi may Mayor mez Mezcla mid Media logarítimica n Normalizada o Crudo out Saliente pro Agua de producción r Reducida ran Ranura s Stokes sb Salida boquilla semi Semi-esferas t Transferencia de calor total Total w Agua w-o Agua - crudo Superíndices c Corriente d Desemulsificante i Componente i max Máxima o Crudo s Sal vap Vapor xvii LISTA DE ABREVIATURAS abs Absoluto AC alternating current (Corriente alterna) API American Petroleum Institute (Instituto americano de Petróleo) ASTM American Society for Testing and Materials (Sociedad americana para ensayos y materiales) A&S Agua y Sedimentos A&SB Agua y Sedimentos Básicos CIT Centro de Información Técnica DBP Diagrama de Bloques del Proceso DC Direct Current (Corriente Directa) DFP Diagrama de Flujo del Proceso DTI Diagrama de Tubería e Instrumentación GE Gravedad Específica Intevep Instituto de Tecnología Venezolana para el Petróleo NA No aplica NAI Nivel Alto de Interfaz NAAI Nivel Alto Alto de Interfaz NBI Nivel Bajo de Interfaz NBBI Nivel Bajo Bajo de Interfaz NNI Nivel Normal de Interfaz PDVSA Petróleos de Venezuela, S.A. PTB Pounds per Thousands Barrels (Libras por mil barriles de crudo) RVP Reid Vapor Pressure (Presión de vapor de Reid) SE Sin especificación TVP True Vapor Pressure (Presión de vapor verdadera) 2D Dos dimensiones 3D Tres dimensiones xviii INTRODUCCIÓN El petróleo crudo, luego de su extracción puede contener o puede haber sido contaminado por agua en suspensión o emulsionada, sales, barro y otras impurezas no – orgánicas que deben ser eliminadas antes de pasar al proceso de refinación. La reducción del contenido de agua, sales y otros sedimentos en el petróleo crudo es una preocupación generalizada a nivel mundial, ya que la presencia de estas impurezas en el crudo ocasiona una serie de contingencias en el proceso de refinación del petróleo; por ejemplo, dificultan el traslado del crudo por las tuberías, producen corrosión e incrustaciones en equipos y tuberías, ocasionan la desactivación de catalizadores, promueven la formación de espuma en los procesos, entre otros; lo que se traduce en costos elevados involucrados en la reparación y mantenimiento de equipos. De allí la importancia del pre tratamiento del crudo, que incluye los procesos de deshidratación y desalación, los cuales operan bajo el mismo principio, romper la emulsión agua en crudo mediante el aprovechamiento óptimo de la ley de Stokes. La deshidratación, como su nombre lo indica, consiste en separar o extraer el agua del crudo mediante diversos métodos que promuevan la ruptura de la emulsión agua en crudo; en cambio, el proceso de desalación, que se realiza después de la deshidratación, consiste en la adición de agua al crudo para promover la disolución de las sales suspendidas, originándose una nueva emulsión, lo que conlleva a la aplicación de los mismos métodos de deshidratación para separar la fase inorgánica de la orgánica. Existen diversas técnicas que se aplican para ambos procesos, sin embargo, la más utilizada en la desalación de crudo consiste en la combinación de un aumento de temperatura, inyección de química desemulsificante y aplicación de un campo eléctrico uniforme que puede ser de corriente alterna, directa o una combinación de polaridad dual entre ambas. El aumento de la temperatura favorece la disminución de la viscosidad del medio continuo, en este caso del crudo, lo que a su vez conlleva a un aumento de la velocidad de Stokes. La inyección de química desemulsificante debilita la interfaz agua en crudo, lo que promueve la separación de las fases. Y finalmente, la acción del campo eléctrico contribuye al aumento de las 2 dimensiones de las gotas de agua dispersas en el crudo, debido a que éstas se polarizan en la dirección del campo, convirtiéndose en dipolos eléctricos que se atraen entre sí para luego coalescer y sedimentar por gravedad regidas por la ley de Stokes. Son las tres técnicas deshidratantes que, combinadas con la adición de agua fresca para la disolución de las sales, constituyen el proceso de desalación de crudo. El equipo principal de una planta de desalación, donde se aplica el campo eléctrico, coalescen las gotas y se separa la emulsión, se denomina desalador. La planta de desalación de crudo también está compuesta de una serie de equipos básicos, como bombas, intercambiadores de calor, válvulas de mezclado, tanques de almacenamiento y los equipos involucrados en la filosofía de control, todos éstos presentan un diseño estandarizado a nivel internacional, sin embargo, el desalador no posee estándares para su diseño y dimensionamiento, sólo se conocen las especificaciones de diseño y el aspecto visual del equipo y sus internos. En PDVSA – Intevep actualmente existe una planta de deshidratación y desalación de crudo a escala piloto diseñada por una empresa especialista en el proceso, dicha planta está constituida por desaladores en forma de recipientes verticales. A escala industrial, los desaladores generalmente son horizontales, de allí que el objetivo principal de la pasantía es el diseño de una planta de desalación a escala banco constituida específicamente por un desalador horizontal diseñado conceptual y mecánicamente con tecnología propia de la empresa. Planta que estará destinada a formar parte del conjunto de laboratorios de PDVSA – Intevep que contribuyen a la investigación y el apoyo tecnológico en diversas áreas de la extracción y el refino del petróleo. A continuación, se enumeran los objetivos específicos que se derivan del objetivo general mencionado anteriormente: 1. Especificar las bases de diseño mediante una revisión bibliográfica que permita conocer la naturaleza y los principios que rigen las técnicas deshidratantes antes mencionadas y el proceso de desalación en sí, así como también, todos los aspectos y parámetros necesarios para el diseño de una planta de desalación de crudo, y proporcionar la información tecnológica del mismo. 2. Determinar el procedimiento de diseño del equipo desalador de acuerdo con la bibliografía consultada, ya que de éste se derivan las especificaciones necesarias para continuar con el cumplimiento de los objetivos posteriores. 3 3. Definir el balance de masa y energía del proceso, para luego poder realizar el diseño de los otros equipos de la planta. 4. Realizar el diagrama de tuberías e instrumentación del proceso (DTI). 5. Evaluar la distribución de equipos de la planta de desalación de acuerdo al espacio disponible para su instalación (Lay - out). 6. Establecer la filosofía de seguridad de la planta. 7. Realizar los procedimientos de arranque, parada y emergencia de la planta de desalación. Estos objetivos se pretenden alcanzar mediante una revisión bibliográfica. Lo que dará inicio al desarrollo del proyecto, con el diseño y dimensionamiento del desalador que permitirá especificar y fundamentar las bases para el diseño básico y conceptual. Datos que contribuyen a la definición del diagrama de bloques de la planta, balance de masa y energía, diseño de los equipos, diagramas de flujo de proceso y de instrumentación y tubería, distribución de los equipos de acuerdo al espacio disponible, establecimiento de la filosofía de seguridad de la planta con los respectivos procedimientos de arranque, parada y emergencia de la misma. El presente informe de pasantía está dividido en seis capítulos, en el primer capítulo se puede encontrar una breve descripción de la empresa, los siguientes tres (capítulos 2, 3 y 4) ofrecen los fundamentos teóricos necesarios para la comprensión del proyecto, el establecimiento de la metodología y el análisis de los resultados. En el capítulo 5 se encuentra de manera detallada y esquemática la metodología utilizada para lograr los objetivos, y en el capítulo 6, se presentan el establecimiento del diseño obtenido y un breve análisis. Después de presentar los distintos capítulos en los que se divide el cuerpo del trabajo, se agrupan las conclusiones y recomendaciones más relevantes. Al final del informe pueden encontrarse las referencias bibliográficas utilizadas y los apéndices con todos los diagramas e información complementaria del informe de pasantía. CAPITULO 1 DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA Intevep es una empresa de Petróleos de Venezuela, cuyo objetivo es la investigación y el apoyo tecnológico en múltiples campos del negocio de los hidrocarburos, su creación se originó en 1974 con el propósito de fortalecer la capacidad tecnológica de la industria venezolana de los hidrocarburos, a través de la investigación básica orientada, investigación estratégica, investigación aplicada y desarrollo; asistencia técnica especializada, ingeniería conceptual y básica, información y asesoría. 1.1. Misión y visión Intevep es una empresa cuya misión es apalancar a través de la tecnología las actividades y proyectos requeridos por los negocios de PDVSA, promoviendo la soberanía tecnológica. Su visión consiste en ser el brazo tecnológico de todas las operaciones de la corporación, el cual asegure a futuro la soberanía tecnológica del negocio de los hidrocarburos y del país. 1.2. Valores Para el cumplimiento de su visión y misión, Intevep se apoya en los siguientes valores organizacionales: Respeto por la gente Apego a principios ético - morales Justicia y equidad Criterios de creatividad e innovación Responsabilidad y solidaridad 1.3. Principales objetivos Generar soluciones tecnológicas, especialmente para las áreas de exploración y producción de crudos pesados y extrapesados. Así como también para la refinación e industrialización, dirigidas a procesar dietas de crudos pesados. 5 Desarrollar tecnologías que permitan incrementar el factor de recobro y apoyar el impulso de Gas Costa Afuera. Fortalecer las relaciones de cooperación en las áreas de ciencia y tecnología entre PDVSA y otras instituciones, para elaborar propuestas encaminadas hacia el nuevo modelo de desarrollo socio productivo. 1.4. Infraestructura Intevep está ubicado en un área próxima a la ciudad de Caracas, capital de Venezuela. Su infraestructura comprende: 1000 Ha de terreno, de los cuales 400, son de su propiedad y 600 con responsabilidad de zona protectora, un Conjunto de Laboratorios (16.000 m2), complejo de 27 plantas piloto y 11 unidades de servicio, y bancos motores para pruebas lubricantes y combustibles y un pozo experimental. Un centro de Información Técnica (CIT) con acceso a más de 500 bases de datos internacionales, 30.000 monografías, 1.600 títulos de publicaciones periódicas, 25.000 normas técnicas, 1.050 discos compactos. Equipos de cómputo intensivo, organizados en: Centro de Simulación de Yacimientos, Centro de Procesamiento de Datos Geofísicos, Centro de Visualización Científica y Laboratorio de Química Computacional, todos interconectados por redes de alta velocidad. 1.5. Organización de la empresa PDVSA-Intevep es una institución donde se alterna la organización matricial con la funcional. De esta manera, se genera la sinergia necesaria para facilitar el trabajo de diferentes equipos multidisciplinarios, responsables de los proyectos impulsados por las Gerencias Generales de Exploración y Producción y Refinación e Industrialización; áreas medulares que agrupan las actividades de investigación, desarrollo y asistencia técnica especializada; requeridas por el negocio. 1.5.1. Gerencias generales Las Gerencias Generales representan una imagen especular de la organización de los negocios de PDVSA, con el fin de integrarse con interlocutores afines a los negocios y filiales de la corporación. Las Gerencias Técnicas tienen como objetivo el “Asegurar el apoyo técnicocientífico mediante la definición, planificación, coordinación y ejecución de los proyectos de investigación, desarrollo y servicios técnicos especializados en el área de pericia bajo su competencia”. En la Fig. 1.1 se muestra la organización básica de la empresa. 6 PRESIDENCIA JUNTA DIRECTIVA Presidente GERENCIA DE PLANIFICACIÓN ESTRATÉGICA CJC CONSULTORÍA JURÍDICA FINANZAS AUTOMATIZACIÓN INFORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES GERENCIA RELACIONES INTERINSTITUCIONALES GERENCIA ASISTENCIA TÉCNICA EMPRESAS DE PRODUCCIÓN SOCIAL PLG Directores GERENCIA ASUNTOS PÚBLICOS APG GERENCIA RECURSOS HUMANOS RHG PCP FNG GERENCIA DE PREVENCIÓN Y CONTROL DE PÉRDIDAS AIT GERENCIA SEGURIDAD INDUSTRIAL REI ATEPS GERENCIA AMBIENTE E HIGIENE OCUPACIONAL AUDITORÍA SI AHO AI GERENCIA DISTRITO SOCIAL DSM METROPOLITANO GERENCIA GENERAL EP DE EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN GERENCIA GENERAL RI DE REFINACIÓN E INDUSTRIALIZACIÓN GERENCIA GENERALSG DE SERVICIOS Figura 1.1. Organización Básica de la Empresa - Gerencia de exploración y producción (EPG) Garantizar el apoyo tecnológico en los negocios de Exploración, Producción y Gas que se requiera. En la Fig. 1.2. se muestran las gerencias técnicas que conforman la gerencia general de exploración y producción. - Gerencia general de refinación e industrialización (RIG) Garantizar el apoyo tecnológico que se requiera en las áreas de Procesos de Refinación, Petroquímicos, Calidad de Productos, así como la operación segura y confiable del Parque de Plantas Pilotos de la empresa. En la Fig. 1.3. se muestra la organización de las cinco gerencias técnicas que conforman la gerencia general de refinación e industrialización. 7 Gerencia Técnica de Exploración y Caracterización EPXP Gerencia Técnica de Esquemas de Explotación EPEE Gerencia Técnica de Manejo Integrado de Producción GERENCIA GENERALEPG DE EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN Gerencia Técnica de Construcción y Mantenimiento de Pozos EPMP EPCP Gerencia Técnica de Manejo Integrado del Gas EPMG Gerencia Técnica de Operaciones de Datos EPOD EPEP Gerencia Técnica de Crudos Pesados Figura 1.2. Esquema de la Gerencia General de Exploración y Producción - Gerencia general de servicios (SG) Prestar apoyo integral a todas las dependencias de Intevep con la finalidad de garantizar la continuidad operacional bajo un enfoque de mejora continua, a través de los Procesos de Mantenimiento y Logística, Laboratorios Generales y Centro de Información Técnica. En la Fig. 1.4 se observa la organización de la gerencia general de servicios y sus respectivas gerencias técnicas. RIRF Gerencia Técnica de Refinación Gerencia Técnica de Residuales y Pesados GERENCIA GENERALRIG DE REFINACIÓN E INDUSTRIALIZACIÓN Gerencia Técnica de Petroquímica Gerencia Técnica de Calidad de Productos Gerencia Técnica de Plantas Piloto RIRP RIPQ RICP RIPP Figura 1.3. Esquema de la Gerencia General de Refinación e Industrialización 8 Gerencia Técnica de Laboratorios Generales SGLG Gerencia Técnica de Centro de Información Técnica SGCIT GERENCIA GENERAL DE SERVICIOS SG SGM Gerencia Técnica de Mantenimiento Gerencia Técnica de Logística SGL Figura 1.4. Esquema de la Gerencia General de Servicios 1.6. Gerencia técnica de residuales y pesados (RIRP) El presente proyecto de pasantías se realizó en la gerencia técnica de residuales y pesados. A continuación se describen sus principales objetivos y funciones. 1.6.1. Objetivo Garantizar la transferencia eficiente y efectiva de los desarrollos tecnológicos propios de Intevep o aquellos adquiridos por la industria y asignados a Intevep a los fines de su implantación, a través de la prestación de actividades de investigación estratégica, básica, aplicada a ingeniería básica, asistencia técnica especializada, en las áreas de residuales y pesados. 1.6.2. Funciones - Planificar, dirigir, coordinar y ejecutar proyectos de investigación y apoyo tecnológico tendientes al desarrollo, adaptación, captación, asimilación y optimización de tecnologías de Procesos de Refinación e Industrialización, de Residuales y Pesados, asegurando la óptima utilización de los recursos asignados. - Generar, planificar, coordinar y ejecutar el apoyo tecnológico en materia de ingeniería básica y servicios técnicos, con énfasis en la incorporación de valor, a fin de transferir y asegurar la implantación operacional de las tecnologías claves desarrolladas por Intevep y requeridas por el negocio de Residuales y Pesados. - Garantizar la formación, desarrollo y preservación del personal técnico – científico clave para las actividades de investigación y desarrollo y Servicios Técnicos Especializados, en las áreas de su competencia. - Garantizar la asistencia y prestación de servicios técnicos especializados e integrales, de un elevado componente tecnológico, asociados a las áreas de su competencia, que garanticen la solución adecuada a problemas operacionales complejos de la Industria Petrolífera, Petroquímica y Carbonífera Nacional. CAPÍTULO 2 INTRODUCCIÓN A LA DESALACIÓN DE CRUDO Antes de estudiar y entender los procesos de deshidratación y desalación de crudo, es necesario conocer la naturaleza de las emulsiones agua en crudo, así como también sus características. A continuación se presenta una breve descripción de las emulsiones agua en crudo y sus características, para luego presentar las descripciones de los procesos antes mencionados. 2.1. Emulsiones agua en crudo El agua y el crudo son dos fluidos inmiscibles, sin embargo, raramente la producción de crudo se lleva a cabo sin la presencia de agua en el mismo. En la Fig 2.1 se observan las diferentes formas en las que el agua coexiste con el crudo: Formas existentes del agua producida con el crudo Agua Libre Agua Suspendida Agua Soluble Agua Emulsionada Emulsión agua en crudo Emulsión crudo en agua Figura 2.1. Formas existentes del agua salina asociada en la producción de crudo (Abdel-Aal y Aggour, 2003) El agua libre es aquella que se separa fácilmente del crudo bajo la acción de la gravedad en un tiempo de residencia corto. El agua suspendida es una variación del agua libre, con la característica que no sedimenta tan rápidamente como ésta. El agua soluble es aquella que se encuentra molecularmente unida al crudo y puede estar asociada a compuestos con el crudo. Finalmente, el agua emulsionada es aquella que forma una dispersión con el crudo, pudiéndose 10 comportar tanto como el medio continuo, como el disperso. Para efectos de la deshidratación de crudo, las formas que conciernen al proceso son, el agua libre y el agua emulsionada. En general, las emulsiones fase aceite en fase acuosa son las denominadas emulsiones directas o normales; sin embargo, en la industria petrolera, este tipo de emulsión es llamada inversa o indirecta, mientras que las emulsiones agua en crudo (fase acuosa en fase aceite) son las que se conocen como emulsiones directas (Marfisi y Salager, 2004). La emulsión agua en crudo consiste en una mezcla heterogénea entre una fase acuosa y una fase oleaginosa, en la cual, la primera, denominada fase discreta se encuentra dispersa en forma de pequeñas gotas, en la segunda, denominada fase continua, estabilizada por un agente emulsionante y suficiente energía de mezclado. Generalmente, para los efectos de la presente investigación, la fase acuosa se refiere como agua y sedimentos (A&S) y la fase continua es petróleo crudo (Marfisi y Salager, 2004). Estos sedimentos, también llamados sedimentos básicos (A&SB), constituyen sales, tales como cloruros de sodio, calcio y magnesio; sólidos, como arena, lodos, carbonatos, productos de corrosión y sólidos precipitados o dispersos, entre otros. Si estas sales y sedimentos básicos no son removidos del crudo, se generan una variedad de problemas y contingencias en el proceso de refinación de crudo. Por ejemplo, las altas temperaturas que se presentan aguas abajo en el proceso puede causar la hidrólisis del agua, lo que a su vez, debido a la presencia de sales, permite la formación de ácido clorhídrico (HCl). La existencia de tal sustancia en el proceso de refinación implica serios problemas de corrosión en los equipos. También puede causar problemas de incrustaciones (fouling) en tuberías e intercambiadores de calor. Los metales provenientes de las sales, pueden causar desactivación de los catalizadores o disminución de la actividad catalítica en los procesos reactivos (Fetter et.al., 2005). Tanto las sales minerales como el resto de los sedimentos, en su mayoría se encuentran disueltos en la fase acuosa, sin embargo, también existe la presencia de sales en forma de cristales asociados al crudo sin necesariamente estar disueltos en el agua emulsionada. En este punto es donde se establece la diferencia y la justificación de la coexistencia de los procesos de deshidratación y la desalación de crudo, ya que como se explicará más adelante, ambos se basan en el mismo principio. La deshidratación de crudo es necesaria en los campos de extracción de crudo, o como se denomina en la industria petrolera “a boca de pozo”; debido a que los procesos de extracción de crudo, aunados a las optimizaciones de los mismos, generan las condiciones necesarias para obtener un crudo emulsionado con una gran cantidad de agua, lo que ocasiona 11 dificultades para el transporte a las refinerías, por lo que es necesario eliminar esa agua en exceso para facilitar la fluidez a través de las tuberías. Por otro lado, la desalación es necesaria en las refinerías, aguas arriba de la torre de destilación atmosférica, para remover el A&SB que no se eliminó previamente en la deshidratación; la diferencia de la desalación con el proceso anterior, es que existe la necesidad de añadir agua con el fin de diluir las sales minerales que no se encontraban previamente disueltas en el agua emulsionada. 2.2. Deshidratación de crudo Antes de describir el proceso de desalación es necesario conocer los principios que rigen el proceso de deshidratación de crudo. Este es un proceso de separación física que consiste en remover el agua asociada con el crudo hasta reducir su contenido a un porcentaje previamente especificado (Marfisi y Salager, 2004). El principio fundamental del proceso consiste en desestabilizar la emulsión formada entre el agua y el crudo mediante la manipulación y variación de las propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsión y la velocidad con la que se establece la fase dispersa, para posteriormente separar el agua del crudo a través de un método de separación física, como por ejemplo, la sedimentación por gravedad. Entre las propiedades más relevantes responsables de la estabilidad de la emulsión, se tienen las siguientes: - Tensión interfacial entre el agua y el crudo, la cual, al disminuir estabiliza la emulsión. Sin embargo, sistemas de tensión ultra-baja producen emulsiones inestables. - La viscosidad de la fase continua constituye un factor importante, ya que como consecuencia directa de su incremento, se tiene la disminución del coeficiente de difusión, lo que a su vez genera una reducción en la frecuencia de colisión de las gotas de la fase dispersa y dificulta la obtención de gotas más grandes, produciéndose como consecuencia una emulsión más estable. - El tamaño de la gota es fundamental, debido a que un aumento de las dimensiones de las gotas de la fase dispersa ocasiona una disminución del área interfacial entre el agua y el crudo y esto a su vez disminuye la estabilidad de la emulsión. - La relación de volumen de las fases juega un papel significativo en la estabilidad de la emulsión, ya que si aumenta el volumen de la fase dispersa a su vez aumenta el 12 número y/o el tamaño de gotas y el área interfacial. También disminuye la distancia entre gotas lo que a su vez aumenta la probabilidad de colisión de las mismas. Todo esto reduce la estabilidad de una emulsión. - Finalmente, una propiedad de gran influencia en la estabilidad de la emulsión es la temperatura, ya que un incremento en esta propiedad implica una disminución de la viscosidad de la fase externa, de la rigidez de la película interfacial, de la tensión interfacial, etc. todos estos son fenómenos que promueven la inestabilidad de la emulsión (Marfisi y Salager, 2004). Es posible aseverar que modificando estas propiedades de manera que la emulsión se desestabilice se logrará separarla. Es por ello que los procedimientos para la deshidratación de crudo están orientados a la variación de dichas propiedades antes mencionadas. En general estas técnicas se rigen por la ley de Stokes, la cual establece la velocidad terminal de sedimentación o de asentamiento de una partícula cayendo en un fluido viscoso debido a la fuerza de gravedad; esta velocidad se alcanza cuando la fuerza de fricción y la fuerza de empuje se igualan al peso de la partícula. Para este caso la ley de Stokes se presenta mediante la ecuación 2.1. Ves [m / s ] = ( ρ w [kg / m3 ] − ρ o [kg / m3 ]) ⋅ g[m / s 2 ] ⋅ dm2 [m2 ] 18 ⋅ µo [ Pa.s ] (2.1) En la ecuación 2.1 se puede observar claramente que la variación de las propiedades antes mencionadas afecta la estabilidad de la emulsión y promueve la separación de las fases. Por ejemplo, se observa que al disminuir la viscosidad del medio o fase continua, aumenta la velocidad de sedimentación de la partícula de la fase dispersa, y por ende se ve favorecida la separación de las fases, lo que se correlaciona con lo mencionado anteriormente. De igual forma sucede al analizar el tamaño de partícula y la temperatura (que influye en la densidad de ambos fluidos y en la viscosidad del medio), ambas son directamente proporcionales a la velocidad de sedimentación de la partícula y por ende un aumento de las mismas favorece la separación de las fases. Entre las técnicas orientadas a la manipulación de dichas propiedades más utilizadas en la deshidratación de crudo, se tienen: 13 - Tratamiento Mecánico: Denominado también sedimentación por gravedad, en este caso, la idea es promover la separación dinámica mediante recipientes (o equipos) adecuados que permitan la dispersión de las fases de la emulsión, como por ejemplo los tanques de lavado. - Tratamiento térmico: Consiste en calentar la emulsión hasta llegar a una temperatura que proporcione las condiciones necesarias para desestabilizarla y lograr su separación. Los equipos utilizados para este fin son los equipos de intercambio de calor, tales como los calentadores de crudo y hornos. - Tratamiento Químico: Esta técnica reside en la adición de un desemulsificante sintético también llamado, química deshidratante, cuya función principal es debilitar la película interfacial y disminuir la estabilidad de la emulsión para facilitar su separación. - Tratamiento Electrostático: En este proceso el principio es el aprovechamiento óptimo de la Ley de Stokes y de la polaridad del fluido disperso, mediante la aplicación de un campo eléctrico que polariza las gotas, facilita la coalescencia de las mismas y la posterior separación física de la emulsión (Marfisi y Salager, 2004) De todo esto, se puede afirmar claramente que la separación gravitacional (o sedimentación por gravedad) puede optimizarse al maximizar el tamaño de las gotas (por tratamiento químico, tratamiento electrostático), la diferencia de densidades entre las dos fases y la viscosidad de la fase oleaginosa (tratamiento térmico) (Mahdi et. al., 2008). Es importante destacar que los ejemplos de técnicas de separación de emulsiones agua en crudo dadas, no son los únicos que contribuyen a maximizar dichas propiedades (o a separar la emulsión), sin embargo son los más relevantes para efectos de la presente investigación. Según las técnicas descritas, un sistema de deshidratación puede estar compuesto de uno de estos equipos, o la combinación de los mismos: Un Free water knockout vessel (recipiente separador líquido/vapor de agua libre), un tanque de lavado, un heater/treater (Calentador/tratador) de crudo, un inyector de químico y un deshidratador electrostático. Todo esto se resume mediante un esquema de tratamiento de petróleo crudo húmedo (Abdel-Aal y Aggour, 2003) el cuál se representa en la Fig. 2.2, en este se observa el tratamiento más adecuado, según los autores, dependiendo de la forma en que el agua se encuentre asociada con el crudo. Para el caso de la deshidratación los casos más convenientes son los tambores separadores 14 para eliminar el agua libre y las combinaciones de químico y calentamiento o químico y tratamiento electrostático, ambos convenientes para el agua emulsionada. Tambores Separadores Petróleo crudo húmedo Calentamiento Tratamiento de Deshidratación Crudo deshidratado Calentamiento e Inyección química Inyección química y Separación Electrostática Decantación / Sedimentación Agua Libre Agua Suspendida Agua Emulsionada Agua Emulsionada Figura 2.2. Enfoque básico del manejo de petróleo crudo húmedo (Abdel – Aal y Aggour, 2003). 2.3. Desalación de crudo Se ha mencionado que tanto la deshidratación como la desalación son procesos que se basan en el mismo principio: lograr el aprovechamiento óptimo de los lineamientos de la ley de Stokes de manera que se beneficie la separación del agua emulsionada del crudo (en el caso de la desalación el agua y las sales disueltas). De alguna manera, la definición de este proceso se ha venido desglosando a lo largo de la investigación; formalmente, Guzmán et. al. (1996, p. 36) define la desalación como: “Un proceso que consiste en la remoción de las pequeñas cantidades de sales inorgánicas, que generalmente quedan disueltas en el agua remanente o en suspensión en forma de cristales en el crudo deshidratado, mediante la adición de una corriente de agua fresca (con bajo contenido de sales) a la corriente de crudo deshidratado. Posteriormente, se efectúa la separación de las fases de agua y crudo, hasta alcanzar las especificaciones requeridas de contenido de agua y sales en el crudo”. Es decir, se puede comparar o de alguna forma asociar con un proceso de extracción líquido/líquido, donde el agua fresca actúa como el solvente, seguido de un proceso de separación de fases, en el cual se observa la transferencia de masa desde una fase a una segunda fase, ambas 15 inmiscibles entre si. Sin embargo, existen ciertas diferencias marcadas entre ambos procesos, como por ejemplo que la dispersión que se introduce al proceso es heterogénea, y no una solución, y que el material a ser extraído es un líquido disperso en el otro en lugar de un soluto; características fundamentales de los procesos de extracción líquido/líquido (Warren, 1990). También, es importante destacar la premisa de que el agua fresca añadida debe tener bajo contenido en sales, esto se debe a que lo que se requiere es disminuir la saturación de sales en la fase acuosa, debido a que de lo contrario se dificulta la dilución de las sales que en un principio no se encuentran disueltas en dicha fase. En el caso de la desalación, solo se toma en cuenta el agua emulsionada como la forma en que el agua viene asociada con el crudo, ya que el agua libre fue previamente eliminada en la etapa de deshidratación. Entonces, basándose en las técnicas presentadas en la Fig. 2.2, las que corresponden para el caso de agua emulsionada es la inyección química combinada con calentamiento y/o con separación electrostática. En la mayoría de los procesos de desalación se hace la combinación de las tres técnicas deshidratantes, de manera que se maximice la velocidad de sedimentación de la fase dispersa y se promueva la separación del agua y las sales disueltas del crudo. Entonces, de manera general, el proceso de desalación de crudo consiste en la adición de agua de dilución y química desemulsificante a una corriente de crudo deshidratado, para luego pasar a la etapa de mezclado que proporciona la energía necesaria para que se disuelvan las sales presentes en el crudo y se emulsione la salmuera resultante. Posteriormente, se realiza la técnica de deshidratación donde se aplica un campo eléctrico a la emulsión para promover el proceso de coalescencia de las gotas y se logre la sedimentación por gravedad de las mismas. Si bien es cierto que todas las etapas que constituyen el proceso de desalación son importantes para el diseño, es importante destacar que la coalescencia de las gotas debido a la polarización de las mismas por efecto del campo eléctrico aplicado, es una de las etapas que genera la mayor controversia a la hora de estudiar, diseñar y evaluar el proceso de desalación de crudo. Especialmente cuando se desea tratar crudos pesados que presentan altas viscosidades y baja diferencia de densidades entre la fase acuosa y la oleaginosa, lo que disminuye el proceso de separación mecánica y el transporte de la química desemulsificante a la interfaz de las gotas de agua. También, estos crudos pesados comúnmente contienen surfactantes y partículas que promueven la formación de emulsiones muy estables (Thomason et. al., 2005). CAPÍTULO 3 NOCIONES BÁSICAS DEL PROCESO DE COALESCENCIA DE LAS GOTAS BAJO LA INFLUENCIA DE UN CAMPO ELÉCTRICO En el campo de las emulsiones, la coalescencia bajo la acción de un campo eléctrico es el fenómeno que se produce cuando dos gotas del fluido que se encuentran en suspensión, se polarizan, se acercan, entran en contacto y se fusionan de manera tal que dan origen a gotas de mayores dimensiones. En este proceso existen una serie de fuerzas que actúan durante la coalescencia de las gotas, unas debido a las interacciones de las gotas con el fluido y entre ellas, y otras debido a la acción del campo eléctrico. Existe un valor máximo de campo eléctrico que establece la inestabilidad de las gotas que interaccionan en el medio, lo que a su vez limita el proceso de coalescencia. A continuación se describe de manera detallada todos los aspectos mencionados anteriormente. 3.1. Electro - coalescencia El proceso de coalescencia consiste en dos etapas. La primera se define como la etapa de transporte, donde el movimiento del fluido juega el papel más importante, ya que incluye el acercamiento mutuo de las gotas hasta que sus superficies entren en contacto. La segunda etapa, denominada etapa cinética, implica la coalescencia como tal, la fusión de gotas en una sola, sin embargo, en la mayoría de los casos esta etapa no ocurre naturalmente, se necesita la acción de un campo eléctrico dónde se genera la atracción inducida de las gotas (Sinaiski y Lapiga, 2007). En ese caso, el proceso se denomina electro – coalescencia. Esta se produce cuando dichas gotas se encuentran suspendidas en un fluido aislante bajo la acción de un campo eléctrico. Este fenómeno se presenta principalmente en dos situaciones diferentes: gotas de agua en nubes electrificadas y emulsiones de agua en aceite (Atten et. al., 2006), siendo el último lo concerniente a la presente investigación. La electro – coalescencia, basada en el principio de que las gotas más grandes sedimentan más rápido en un medio viscoso, mejora la separación de la fase dispersa de la continua. La 17 efectividad de este método se logra siempre y cuando la permitividad y la conductividad eléctrica de la fase dispersa sean significativamente mayores que las de la fase continua (Eow y Ghadiri, 2003). Tal es el caso entre la molécula de agua y el crudo, ya que la fase dispersa es mucho más susceptible eléctricamente que la fase continua, debido a que el agua es una molécula polar con alta conductividad y permitividad eléctrica. La polaridad del agua es de gran importancia ya que, cuando las gotas de agua están bajo la acción de un campo eléctrico externo y uniforme, estas se polarizan en la dirección del campo convirtiéndose en dipolos inducidos que se atraen entre sí. Es decir, cuando una emulsión agua en crudo se encuentra bajo el efecto de un campo eléctrico se puede observar un cambio en las características de la carga eléctrica del sistema. La principal respuesta es la reorientación de los dipolos moleculares en la dirección del campo eléctrico lo que ocasiona una deformación de la gota de agua debido a las diversas fuerzas como consecuencia del medio continuo, el campo eléctrico externo y las interacciones entre gotas. Sin embargo este comportamiento varía en función del tipo de campo eléctrico aplicado. En la Tabla 3.1 se observan las diversas respuestas de las gotas de agua en un campo eléctrico específico y su correspondiente condición de coalescencia. 3.2. Fuerzas que actúan sobre una gota de agua en un medio viscoso y bajo la acción de un campo eléctrico La velocidad con que sedimenta la gota de agua también puede ser relacionada con las fuerzas que actúan sobre la misma mediante la integración de la segunda ley de Newton. Dicha ley expresa el cambio de velocidad por la variación en el tiempo y las fuerzas que actúan sobre la gota dispersa, como se indica en la ecuación 3.1: Mi ⋅ dVei = Ffluid + Fext + Fg − g dt (3.1) Donde, Mi y Vei corresponden a la masa y la velocidad de la gota respectivamente, Ffluid representa las fuerzas que ejerce el fluido sobre la gota, Fext representa el vector de las fuerzas ejercidas por agentes externos y finalmente Fg-g representa el vector de las fuerzas que ejerce una gota sobre la otra, es decir, las interacciones gota – gota. Entonces, para una gota moviéndose en un fluido viscoso, el cambio de velocidad con respecto al tiempo es igual a la sumatoria del conjunto de vectores de fuerza que actúan sobre la gota (Chiesa et. al., 2005). 18 Tabla 3.1. Respuestas de las gotas de agua de acuerdo al tipo de campo eléctrico y su respectiva condición de coalescencia (Nöik et. al., 2006) Coalescencia Electrostática Coalescencia Dipolar Coalescencia Electroforética o coalescencia migratoria Descripción general Relación con el tipo de campo eléctrico La gota de agua neutra se Existe en: polarizará, dando lugar a la - campos eléctricos formación del dipolo homogéneos de corriente inducido. Para un dipolo directa (DC). inducido, las fuerzas son - Campos eléctricos iguales y opuestas, la gota se homogéneos de corriente mantendrá en su lugar y alterna (AC) simplemente se alargará. Existe: - Como principal causa de coalescencia en campos eléctricos homogéneos DC. El movimiento neto Es el movimiento de una gota resulta en dirección al eléctricamente cargada bajo la electrodo, promoviendo influencia de un campo la colisión gota – gota en eléctrico. La dirección de la la región entre los fuerza depende de la electrodos. polaridad de la carga y la - En campos eléctricos dirección del campo eléctrico. homogéneos AC se observa desplazamiento neto, sin embargo, el movimiento oscilatorio promueve la coalescencia. - Fuerzas que ejerce el fluido sobre la gota Las fuerzas de interacción fluido – gota, son aquellas que se transfieren desde el fluido a las gotas por medio de la fricción. Entre las fuerzas que constituyen este vector de fuerzas tenemos la fuerza de arrastre y la fuerza de flotación. La primera se deriva del hecho que en el flujo de fluidos la resistencia a la fricción (o fuerza de arrastre) es proporcional a la mitad de la segunda potencia de la velocidad del fluido desplazado por el cuerpo en movimiento; esta fuerza actúa sobre una gota de agua en un campo de presión uniforme cuando no se observa aceleración de la velocidad relativa entre la gota y el fluido que la transporta. La segunda fuerza es aquella que se presenta cuando existe una diferencia de densidad entre el fluido disperso y el medio continuo, lo 19 que se traduce en el movimiento de la partícula con una velocidad relativa al fluido que la contiene; esta fuerza actúa siempre en la dirección contraria a la fuerza gravitacional (Eow y Ghadiri, 2002). También existen otras fuerzas de este tipo que actúan sobre la gota, sin embargo para efectos de la presente investigación solo se considerarán las dos fuerzas antes mencionadas, debido a que son las que tienen mayor contribución en el comportamiento de una emulsión agua en crudo bajo la acción de un campo eléctrico. - Fuerzas ejercidas por agentes externos En este caso se toman en cuenta los efectos provenientes de fuerzas externas que ejercen una acción sobre la partícula. Entre las fuerzas que constituyen este vector tenemos la fuerza de gravedad y la fuerza electroforética. La primera es la que ejerce el campo gravitacional sobre la masa de la partícula, esta va en la dirección de la aceleración de la gravedad. La segunda es la que se basa en la acción de un campo eléctrico externo sobre la diferencia de cargas existente entre la superficie de la partícula y el fluido que la rodea, lo que origina el movimiento de la partícula de acuerdo al tipo de campo que se aplique (Nöik et. al., 2006); como se observa en la Tabla 3.1 esta es una de las fuerzas que promueve la coalescencia de las gotas. Además de estas dos fuerzas existe otra llamada fuerza dielectroforética, la cuál es aquella que origina un movimiento de la partícula en la dirección donde exista la mayor intensidad del campo, debido a los efectos de polarización originados por la falta de uniformidad del campo eléctrico aplicado. Sin embargo, esta fuerza bajo la acción de un campo uniforme se anula, por lo que no se tomará en cuenta en la presente investigación. - Fuerza producto de la interacción entre gotas La fuerza correspondiente a la interacción que se considerará para los efectos de la presente investigación es la denominada fuerza dipolar que es aquella que se genera cuando dos dipolos inducidos se acercan, debido a que las gotas experimentan la acción del campo interno de cada una y pueden atraerse o repelerse (Nöik et. al., 2006). Esta fuerza se relaciona con el momento dipolar localizado en el centro de ambas gotas (consideradas esferas) y es inversamente proporcional a la distancia que las separa. Es decir, mientras las gotas estén más cerca, la fuerza de atracción que existe entre ellas será de mayor magnitud. 3.3. Campo eléctrico En un campo eléctrico la fuerza electrostática (fuerza dipolar) inducida entre dos gotas conductoras es inversamente proporcional, aproximadamente, a la cuarta potencia de la distancia 20 entre las gotas (Eow et. al., 2001). Es decir, como ya se discutió anteriormente la fuerza del campo eléctrico se vuelve más intensa mientras las gotas estén más cerca una de otras. Sin embargo este mecanismo de acercamiento y coalescencia de las gotas, depende en gran escala de la naturaleza del campo eléctrico aplicado. Como se observa en la Tabla 3.1 el campo eléctrico de corriente alterna produce un dipolo inducido que a su vez tendrá un movimiento oscilatorio que se traducirá en la coalescencia de las gotas, esta es una de las configuraciones más comunes en el tratamiento de emulsiones agua en crudo. En el caso del campo eléctrico de corriente directa (DC), se hace predominante la fuerza electroforética es decir, también se observa la presencia de dipolos inducidos pero la migración se produce hacia los electrodos que es dónde se produce la colisión de las gotas es lo que domina el proceso de la coalescencia. Este tratamiento es muy común cuando se tienen casos de requerimientos de bajo contenido de agua en el producto. El campo DC tolera menos cantidades de agua que el campo AC lo que conduce a la corrosión electrolítica en ambientes conductivos. Es por ello que también existe otra modalidad que son los campos de polaridad dual AC/DC que combinan los beneficios de ambos y se evita de cierta manera los problemas de corrosión (Warren, 1990). Sin embargo en la presente investigación se realizará el enfoque en el campo AC, debido a que este no se encuentra afectado por los problemas de corrosión, posee un eficiencia reconocida y además no presenta la complejidad de los electrodos utilizados en la combinación dual AC/DC. La configuración del campo AC dentro de los recipientes desaladores consta de tres componentes principales: 1. Una fuente de poder que convierte el voltaje lineal a la salida de alto voltaje requerido y este es conducido a través de una boquilla aislada y resistente a la presión que es introducida en el recipiente desalador para dar carga al electrodo. 2. Un electrodo inferior, comúnmente denominado el electrodo cargado. 3. El electrodo conectado a tierra que usualmente se encuentra suspendido por encima del electrodo inferior (Burris, 1977). La representación esquemática de lo descrito anteriormente se representa en la Fig. 3.1, en esta, se observa que existen dos campos eléctricos independientes como resultado de la configuración de los electrodos. Un campo que presenta su gradiente de voltaje entre los dos electrodos en el área superior, y un campo en el área inferior que tiene su gradiente entre el electrodo cargado y la interfaz agua/crudo, debido a que el colchón de agua presenta un potencial igual a la conexión 21 a tierra. Entonces en esta zona se observa que la interfaz actúa como un tercer electrodo generando un campo eléctrico secundario. Son dos zonas dónde se observará la acción del conjunto de fuerzas sobre la dispersión de gotas de agua, debido a la diferencia de densidad entre la fase continua y la fase dispersa, a la acción externa que ejerce la fuerza de gravedad, y a las interacciones gota – gota por la acción del campo eléctrico. Como se dijo anteriormente, son estas las fuerzas encargadas de promover la coalescencia y el movimiento de las gotas y de esta forma favorecer la ruptura de la emulsión, tal como se mencionan y describen en el punto anterior. Fuente de Poder Figura 3.1. Vista típica de los componentes principales requeridos para el campo AC 3.4. Campo eléctrico crítico Si bien es cierto que hasta ahora se ha discutido los beneficios de la aplicación de un campo eléctrico para el proceso de coalescencia de gotas, también se hace importante resaltar que existe un problema de inestabilidad de las gotas para ciertos valores de campo eléctrico que produce el rompimiento de las mismas y se invierte el proceso de coalescencia. En el trabajo de Eow et. al., 2001, se afirma que siempre se debe tener en cuenta que ocurre un efecto opuesto al de la coalescencia, como por ejemplo la deformación y ruptura de las gotas, cuando se aplican fuerzas de campo eléctrico muy altas. Como ya se ha establecido, cuando se aplica un campo eléctrico a una emulsión agua en crudo, esta se deformará debido a la polarización de las gotas dispersas. Éstas adquieren una forma de un esferoide alargado (Sjöblom, 2006) en la dirección del campo por el efecto de la tensión eléctrica que este produce en la superficie de la gota. Generalmente esta polarización y posterior deformación de las gotas promueve la coalescencia de las mismas, sin embargo en la literatura afirman que al aplicar altas magnitudes de campo la tensión eléctrica que se produce en la superficie de la gota de agua supera la tensión interfacial actuando en la gota (Eow et. al., 2001), 22 es decir, la gota se deforma de tal manera que se superan las fuerzas actuando en la superficie de la misma y tiende a romperse y formar gotas más pequeñas. Es por esto que se debe tomar en cuenta que al especificar los parámetros de un equipo desalador se debe establecer la magnitud del campo eléctrico crítico ya que este valor impone un máximo de voltaje aplicado en el proceso, el cual garantiza que valores inferiores de campo eléctrico promueven la coalescencia de las gotas y la posterior separación de la emulsión agua en crudo. CAPÍTULO 4 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO ESTABLECIDO PARA PLANTAS DE PROCESO Después de establecer toda la información teórica y nociones básicas para conocer el proceso de desalación se hace necesario constituir el procedimiento para el diseño de una planta de desalación. Esto es comparable con las plantas químicas en general, es decir, los procedimientos establecidos teóricamente para tal fin son aplicables a la planta de desalación que se desea diseñar, siempre y cuando se tome en cuenta la escala a la que se desea construir la planta. Para ello se analizó el procedimiento de diseño establecido para plantas de procesos químicos por William Baasel en su monografía de título Preliminary Chemical Plant Design (Diseño preliminar de plantas químicas), el cual, en líneas generales establece las siguientes etapas en el diseño de una planta química. 4.1. Alcance Lo principal que se efectúa en el diseño de una planta de proceso consiste en establecer el alcance del proyecto que es lo que define y delimita el proceso. En este se establecen las especificaciones de entrada y salida del proceso, así como también los requerimientos de disposición de aguas, servicios auxiliares, transporte y laboratorio, la ubicación de la planta, horas de operación y consideraciones de seguridad. Baasel, 1976, establece que si el alcance no se constituye antes de iniciar el procedimiento de diseño, entonces no puede existir control alguno en la evolución del proyecto de diseño. 4.2. Diseño del proceso Una vez que se cuenta con el alcance del proceso, se hace necesario la selección y organización de las etapas del proceso así como también, el establecimiento de las condiciones del proceso. Entre estas etapas se encuentran, la etapa de reacción química y la de separación, que son las más importantes puesto que determinan el tipo y condición de proceso. 24 4.3. Balance de masa Una vez establecidas las especificaciones del proceso y haber seleccionado y organizado las etapas de éste, se hace necesario especificar la cantidad y composición de cada una de las corrientes. Esto es lo que se denomina el balance de masa del proceso, el cual se representa gráficamente mediante el diagrama de bloques del proceso (DBP), de tal manera que sea posible visualizar gráficamente lo que ocurre en el proceso. El DBP consiste en una serie de rectángulos que representan las etapas más importantes del proceso, y cada uno de ellos, se encuentra interconectado con líneas de flujo que indican para cada sustancia el lugar por donde se introducen al proceso, así como también la cantidad de la misma que entra al proceso. 4.4. Diagrama de flujo detallado El diagrama de flujo del proceso (DFP) es un boceto del sistema que muestra todos los equipos que son necesarios para operar la planta, así como también las líneas de proceso e indicadores que señalen dónde son necesarios los servicios auxiliares. Es necesario aclarar que este diagrama no representa ninguna escala real ni mucho menos contiene relaciones espaciales reales. Debe incluir todos los equipos necesarios para que el proceso quede bien especificado, tales como bombas, separadores, intercambiadores de calor, tanques de almacenamiento, mezcladores, etc. Se debe excluir los detalles de tubería y eléctricos. 4.5. Dimensionamiento de los equipos Posterior al diagrama de flujo, es requerido establecer las condiciones que rigen a cada equipo, para ello es necesario realizar el procedimiento de dimensionamiento correspondiente a cada uno. Es decir, este paso consiste en llevar a cabo los procedimientos de diseño establecidos en la literatura para cada equipo representado en el diagrama de flujo de proceso, de acuerdo a las especificaciones realizadas previamente en el alcance y el balance de masa del proceso. Es importante destacar que a pesar de que el dimensionamiento es el quinto paso en el procedimiento de diseño de una planta química, esta no se completará si no hasta que se realicen otras etapas posteriores como por ejemplo el balance de energía del proceso, que permitirá especificar equipos tales como los intercambiadores de calor. 4.6. Lista de equipos En este punto del diseño se hace necesario establecer la lista de los equipos con sus respectivas especificaciones tabuladas y organizadas de acuerdo a lo establecido previamente en el 25 dimensionamiento respectivo de cada equipo. En este caso al igual que en el anterior, es necesario completar otras etapas subsiguientes para establecer los resultados concretos de este paso. Debido a que, además de los intercambiadores de calor, las bombas y otros equipos, también necesitan las especificaciones de temperatura y presión, y los datos que provee el balance de energía. Cada equipo debe tener establecido sus respectivas temperaturas y presiones de operación, estas son funciones de las condiciones del proceso ya establecidas y las condiciones ambientales correspondientes a la ubicación de la planta. Por ejemplo, la temperatura y presión de un sistema de almacenamiento depende de las propiedades físicas de la sustancia que se requiere almacenar y las condiciones ambientales correspondientes al lugar donde estará ubicado dicho sistema. Al tener especificados todos los equipos del proceso, es de gran importancia establecer el material de construcción de los equipos. Usualmente estos están determinados por los químicos presentes, las condiciones y disposición final de los productos. El material estándar de construcción es acero al carbón. Generalmente es el metal más económico que puede usarse en la fabricación de equipos. Se debe especificar para cada equipo el material a utilizar, parámetro que debe constituir las especificaciones de la lista de equipos. 4.7. Distribución en planta Con la lista de equipos y sus especificaciones, especialmente las dimensiones de cada uno, se da inicio a la distribución de los equipos en la planta. Esto involucra el posicionamiento de cada equipo dentro de la planta, de manera que se minimice lo siguiente: - Daño a personas y propiedades en caso de incendio o explosión. - Costos de Mantenimiento. - El número de personal que se requiere para operar la planta. - Costos varios de operación. - Costos de construcción. - Costos de futuras expansiones. Es decir, es un balance que se debe establecer entre los costos de construcción, operación, mantenimiento y futuras expansiones; y la seguridad y número de personal de la planta. A medida que se mantenga este compromiso, se logrará realizar una distribución óptima de los equipos en la planta. 26 4.8. Control del proceso e instrumentación Este paso es de gran importancia en todo procedimiento de diseño de plantas químicas debido a que el establecimiento del sistema de control del proceso tiene como propósito asegurar en la medida de lo posible que la planta opere segura, eficiente y rentablemente a pesar de las alteraciones tanto externas como internas que puedan suceder en el proceso. Se deben establecer sistemas de controles específicos a cada equipo y etapa del proceso que unidos se reflejen principalmente en el control final de la calidad y cantidad del producto que se obtiene. En dicho sistema de control posteriormente debe reflejarse en un boceto similar al DFP denominado diagrama de tubería e instrumentación (DTI) que presenta para cada equipo su respectiva filosofía de control e instrumentación requerida para tal fin y las especificaciones de tuberías principales, secundarias y auxiliares. También debe detallar los requerimientos de servicios auxiliares. El DTI debe reflejar la información necesaria que permita el diseño de los sistemas de control básicos, la determinación del número y clase de equipos, y la elaboración del manual de arranque, operación y mantenimiento de la planta. 4.9. Balance de energía del proceso Finalmente, cuando el flujo de proceso, la presión y temperatura para cada corriente y equipo del proceso están previamente especificadas y representados en su respectivos diagramas, se debe ampliar el balance de masa realizado inicialmente pero esta vez teniendo en consideración la energía que se transfiere o se absorbe en el proceso, así como también las pérdidas de energía correspondiente a los equipos y a los cambios climáticos relativos a la ubicación de la planta. Este balance completo de masa y energía debe contener la información necesaria para finalizar el dimensionamiento y la lista de equipos, así como también las especificaciones finales del proceso. 4.10. Filosofía de seguridad Todo lo descrito anteriormente se puede representar en el siguiente flujograma donde se identifican todos los pasos en el procedimiento de diseño de una planta con sus respectivas referencias cíclicas. En el diagrama se observa una etapa extra del procedimiento que es la filosofía de seguridad, sin embargo esta se representa ligada a todas las otras etapas. Es decir, la filosofía de seguridad, que es donde se establece todo lo que representa la seguridad en el diseño, construcción y operación de la planta, es una etapa que se va realizando a medida que avanzan las 27 etapas principales, ya que requiere información y especificaciones de cada una de las etapas del proceso. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA Alcance Diseño del Proceso Balance de masa Diagrama de Flujo detallado DBP DFP D E Dimensionamiento de los Equipos Lista de Equipos Distribución en Planta Control del Proceso e Instrumentación Balance de Energía del Proceso F I L O S O F Í A LAY OUT DTI MANUAL DE ARRANQUE Y PARADA S E G U R I D A D FIN DEL DISEÑO Figura 4.1. Flujo grama representativo del procedimiento de diseño de una planta química CAPÍTULO 5 METODOLOGÍA Y DESARROLLO La primera etapa del proyecto consiste en familiarizarse con el diseño del equipo, los requerimientos de diseño, procedimientos de cálculos y sistemas de control. Además se estudia la seguridad del equipo y su operación. Para ello, se debe llevar a cabo el siguiente procedimiento. a) Recopilación de información Es necesario hacer una amplia investigación en cuanto al proceso de desalación, el principio de funcionamiento, las variables de proceso, la operación y diseño del desalador, etc. Además de adquirir conocimientos referentes a la estimación de propiedades físicas de hidrocarburos. Se deben consultar diferentes fuentes, en especial patentes y publicaciones, las cuales proporcionan la información necesaria para establecer las bases de diseño del proceso y el punto de partida para el diseño del desalador. b) Estudio del marco teórico El principal objetivo de esta actividad es discriminar entre la información importante y la innecesaria, para ello es necesario delimitar el enfoque del proyecto, y determinar lo que se debe conocer para realizar el diseño del desalador y la planta como un todo. Se deben estudiar los equipos de desalación de crudo y equipos similares como deshidratadores, tratadores de emulsiones agua en aceite, coalescedores, etc. y de esta forma ir determinado los requerimientos del diseño y el desarrollo del procedimiento más adecuado para el dimensionamiento del equipo y los demás equipos de la planta. También, estudiar a profundidad los diagramas de instrumentación y tuberías de plantas de desalación ya instaladas, así como los manuales de operación (arranque, operación normal, parada y parada de emergencia) y los manuales de los sistemas de seguridad que rigen dichas plantas. Esto constituye una gran ayuda al realizar los diagramas y los manuales de de la planta. 29 c) Estudio de normas y regulaciones de diseño Existe un gran número de normas y estándares que abordan el tema diseño de plantas en general; sin embargo son muy pocas las normas disponibles que rigen el diseño de los desaladores, por lo que es necesario buscar equipos o procesos similares con los cuales se puedan extrapolar las regulaciones de diseño y dimensionamiento para los mismos. En el transcurso de la descripción metodológica se mencionan las normas y estándares utilizados en cada aspecto del diseño de la planta. 5.1. Alcance del proceso Como se especificó anteriormente, el alcance le da inicio al procedimiento de diseño. En la presente investigación el alcance se debe realizar definiendo la siguiente lista de ítems, los cuales constituyen las bases de diseño del proceso (Baasel, 1976): - El producto. - Cantidad de cada producto. - Calidad de cada producto. - Requerimientos de almacén para cada producto. - Materia prima para cada producto. - Calidad de la materia prima. - Requerimientos de almacén para la materia prima. - Productos Secundarios. - Proceso a usar incluyendo rendimientos y conversiones. - Requerimientos de disposición de aguas. - Requerimientos de servicios auxiliares. - Previsiones para futuras expansiones. - Ubicación de la planta. - Horas de operación al año. - Fecha de finalización. - Requerimientos de transporte. - Requerimientos de laboratorio. - Consideraciones especiales de seguridad. 5.2. Diseño del proceso Se constituyen las etapas del proceso. Partir del principio que este es un proceso netamente de separación, por lo que dicha etapa se debe considerar como la principal del proceso. Esta a su vez 30 determina las etapas secundarias del proceso. Sin embargo, se presenta la necesidad de especificar, antes de seguir con el orden cronológico del procedimiento de diseño, el dimensionamiento del equipo principal de la planta. Ya que este equipo es la clave que determina el diseño de la planta, las condiciones del proceso y la gran mayoría de las especificaciones necesarias para completar las otras etapas del diseño del proceso. 5.3. Diseño del desalador Este es el equipo principal de la planta, debido a que representa las condiciones, los parámetros y las limitaciones del proceso de desalación. Es por ello que se hace necesario iniciar el procedimiento de diseño de la planta a partir del dimensionamiento de este equipo. 5.3.1. Requerimientos de diseño Según lo que establecen las Engineering standards for process design of crude oil electrostatic desalters (normas de ingeniería para el proceso de diseño de desaladores electrostáticos de crudo), 1995, los requerimientos para el diseño del equipo son los siguientes: a) Propiedades del crudo - Gravedad API - Concentración de A&SB, % v/V - Contenido de sal, PTB - Viscosidad a dos temperaturas, cSt - RVP (Reid Vapor Pressure) a 38°C, psi (abs) b) Condiciones de diseño mecánicas y operacionales - Presión operacional en el desalador (presión mínima que debe ser suficiente para mantener el contenido del desalador en estado líquido) - Temperatura de operación en el interior del desalador (debe ser especificado el rango). - Caída de Presión permisible en el desalador (incluyendo la válvula de mezclado) - Flujo de crudo de diseño (bbl/d) - Máxima presión y temperatura del sistema. A continuación se presenta detalladamente el procedimiento de cálculo utilizado para el diseño del equipo desalador. Se divide en secciones, ya que cada una de estas corresponde a una etapa del diseño del equipo. 31 5.3.2. Propiedades de los fluidos de proceso En esta sección se debe especificar y determinar las propiedades de los fluidos que se requieren para el diseño y las especificaciones del desalador. a) Temperatura de diseño La mejor vía para determinar la temperatura de diseño es mediante pruebas de laboratorio, el valor de temperatura debe proporcionar las condiciones de operación óptimas, así como asegurar las mínimas pérdidas de volumen y calidad de crudo tratado, junto con las dimensiones adecuadas del equipo. Como en el caso particular de la presente investigación no se dispone de estos datos experimentales, este parámetro se debe fijar de acuerdo a la experiencia, es decir, se toman en cuenta los rangos ya determinados por los procesos de desalación establecidos y/o patentados (Abdel-aal y Aggour, 2003). b) Presión de diseño De acuerdo a lo establecido en los procesos de desalación patentados anteriormente, la presión de diseño del desalador (Pdes) debe ser suficiente para asegurar que en el desalador solo exista la fase liquida. Es por ello, que aproximadamente se puede establecer que esta presión viene determinada por la ecuación 5.1 (Hart, 1993): Pdes [ psi ] = P vap may [ psi ] + 20[ psi ] (5.1) Donde Pvapmay es el valor mayor de presión de vapor entre los componentes de la mezcla de alimentación (generalmente solo se analiza el crudo y el agua). El valor de 20 psi agregados a la presión de vapor, corresponde a un valor recomendado por la literatura (Hart, 1993), de manera que se proporciona un margen de seguridad por encima de dicha presión que asegura la permanencia de la mezcla de alimentación en fase líquida. Para obtener este valor es necesario conocer la presión de vapor de ambos componentes. - Presión de vapor del crudo Para este cálculo, se deben utilizar unas relaciones entre la RVP, la temperatura y la TVP (True Vapor Pressure), las cuales se observan en las ecuaciones 5.2 y 5.3 (Montemayor, 2008). Para los efectos del mismo, la RVP utilizada corresponde al valor presentado para el primer corte, el cual se adjudica al corte de los livianos o compuestos más volátiles. 32 P vap o [ psi ] = RVP[ psi ] ⋅ e[ Co⋅( CTEMP )] + C CTEMP = f 1 1 − T [° F ] + 460 560 (5.2) (5.3) Co es una constante que depende del valor de RVP. Cf es un factor de corrección el cual está expresado en función del valor de RVP. - Presión de vapor del agua En este caso, se deben utilizar los valores reportados por una tabla de vapor de agua y realizar una correlación entre la presión de vapor del agua (Pvapw) y la temperatura (T). P vap w [ psi ] = 2,0 × 10−8 ⋅ T [° F ]4 − 7,1 × 10−6 ⋅ T [° F ]3 + 1, 4 × 10−3 ⋅ T [° F ]2 − 1, 2 × 10−1 ⋅ T [° F ]2 + 4,9 (5.4) c) Densidad del crudo y del agua correspondiente a la temperatura de diseño Es necesario conocer el valor preciso de la densidad del agua y el crudo, ya que como se observa en la ecuación 2.1, la velocidad de separación entre ambas fases depende, entre otras cosas, de la diferencia de densidades entre el agua y el crudo. - Densidad del agua El rango de temperatura en el desalador es mayor a la temperatura de saturación del agua, por lo que para este cálculo utilizar los valores de densidad de saturación (o volumen específico) correspondiente a cada temperatura, datos que se obtienen a partir de las tablas de vapor del agua (Spirax - Sarco, 2009). Utilizar un amplio rango de temperatura incluyente de la temperatura de diseño, y finalmente, obtener una correlación para la densidad en función de la temperatura como la que se presenta en la ecuación 5.5, donde se tiene la densidad del agua (ρw) en función de la temperatura de operación. ρ w [ g / cm3 ] = 6,09 × 10−10 ⋅ T [° F ]3 − 1,14 × 10−6 ⋅ T [° F ]2 + 6,73 × 10−6 ⋅ T [° F ] + 1,00 (5.5) A razón de facilitar los cálculos posteriores para la densidad del crudo y el dimensionamiento del equipo, se debe normalizar la densidad del agua de manera que el valor de su densidad a la 33 temperatura de 60° F (15,6° C) sea igual a 1,0 g/cm3 (1000 kg/m3). Para ello se debe utilizar la ecuación 5.6. ρ w (T )n = - ρw ρ w (60° F ) [ g / cm3 ] (5.6) Densidad del crudo A partir de una tabla de gravedad específica (GE) para el petróleo con respecto a la temperatura y gravedad API correspondiente (Jones, 2008) obtener los datos de GE para 16, 22, 30 y 36 API en un rango de temperatura de 200 – 320 °F. Con estos datos, realizar la interpolación respectiva y de esta forma se obtiene la ecuación 5.7 para predecir la densidad del crudo (ρo) a partir de la temperatura. ρo [ g / cm3 ] = −3.46 × 10−4 ⋅ T [° F ] + 9.80 × 10−1 (5.7) c) Viscosidad del crudo a la temperatura de diseño Utilizando las ecuaciones de la norma ASTM D 341 – 03, Standard Test Method for Viscosity – Temperature Charts for Liquid Petroleum Products, obtener el valor de la viscosidad del crudo a la temperatura requerida. Las ecuaciones 5.8 y 5.9 son las que establece la mencionada norma para el cálculo de la viscosidad. log(log Z ) = C1 − C2 ⋅ log T [ K ] (5.8) Z = f (υo [cSt ]) (5.9) El procedimiento de cálculo requiere como datos de entrada el valor de dos viscosidades cinemáticas del crudo de alimentación (υo) a dos temperaturas distintas, datos con los que se deben obtener los valores de las constantes de la ec. 5.8. Estos datos de viscosidades se obtienen a partir de valores reportados de algunos crudos que se han suministrado a la empresa PDVSA – Intevep. Para convertir la viscosidad cinemática en viscosidad dinámica, utilizar la ecuación 5.10 que se muestra a continuación: 34 µo [ Pa.s ] = 1 × 10−6 ⋅ ρo [ kg / m3 ] ⋅υo [cSt ] (5.10) 5.3.3. Balance de masa en el desalador El balance de masa dentro del desalador establece las especificaciones de balance para todo el proceso y además la obtención de una serie de parámetros necesarios para el diseño del mismo. A continuación se describe el procedimiento a utilizar para realizar dicho balance. a) Flujo de alimentación Generalmente este dato se fija de acuerdo a las necesidades del proyecto, la escala a la que se desea construir la planta y el tamaño del equipo. El principio consiste en establecer un equilibrio entre la escala de la planta, el espacio que se tiene para la planta, el tamaño de los equipos y el flujo de alimentación. b) Flujo y porcentaje de agua de dilución a utilizar En el proceso de desalación normalmente se agrega una pequeña cantidad de agua fresca y de baja salinidad con la intención de aumentar la eficiencia del proceso, ya que de la cantidad de agua añadida depende la dilución de las sales presentes en el crudo en el agua emulsionada. Este parámetro se debe fijar de acuerdo a los valores ya establecidos en los procesos de desalación patentados. Este valor se maneja en porcentaje volumétrico en función del caudal de alimentación a utilizar (Qo) y el porcentaje volumétrico de agua de dilución a utilizar (Wdil). A partir de dicha cantidad se calcula el flujo de agua añadida (Qdil), el cual se utiliza en los cálculos posteriores de balance de masa. La ecuación que determina el flujo volumétrico de agua es la 5.11. Qdil [m3 / s ] = Wdil ⋅ Qo [m3 / s ] (5.11) c) Cantidad de sal presente en el agua de producción y en el agua de dilución Como se dijo anteriormente, se debe procurar a fin de que aumente la eficiencia del proceso, que el agua de dilución sea de baja salinidad, es por ello que a manera de facilitar los cálculos se puede suponer que el agua de dilución no posee sales disueltas. La cantidad de sales disueltas en el agua de producción, es un parámetro que se fija de acuerdo a las características del crudo de proceso. Generalmente este valor se ve reflejado en los ensayos 35 de crudos proporcionados por la empresa PDVSA – Intevep. De acuerdo al tipo de crudo que se utilizó para establecer el diseño del proceso, se obtuvo el valor de la cantidad de sales disueltas en unidades de libras equivalentes de cloruro de sodio (NaCl) equivalente por mil (1000) barriles de crudo (PTB). Esta unidad de concentración se convierte concentración de sal en unidades de porcentaje másico en función del agua de producción (Cpro) mediante la ecuación 5.12 (Erwin, 2002), donde, Fo es el flujo másico de alimentación y Wpro es el porcentaje de agua de producción presente en la alimentación. C pro [% p / p] = PTB ⋅ Fo [kg / h] ⋅ 100 (2,32 × 10 ⋅ Wpro ⋅ Qo [bbl / día ] ⋅ ρ w [kg / m3 ) + ( PTB ⋅ Fo [kg / h]) 3 (5.12) También, es importante para los cálculos posteriores, conocer la cantidad de sal en la alimentación en unidades de flujo (S), para ello, se deduce una relación a partir de los cálculos de balance de masa, expresada en la ecuación 5.13 (Erwin, 2002): S [kg / día ] = 6,84 × 10−5 ⋅ PTB ⋅ Fo [kg / h] (5.13) Finalmente, a partir de estos valores, se obtiene la ecuación 5.14 para la concentración másica de sal en función del agua, después del mezclado (Cm) (Erwin, 2002): Cm [% p / p] = 6, 29 ⋅ S[kg / día] Qo [bbl / día] ⋅ ρ w [ kg / m3 ] ⋅ (W pro + Wdil ) + (6, 29 ⋅ S[ kg / día ]) (5.14) d) Corte de agua presente en el crudo desalado Este valor es de gran importancia en el diseño del desalador, ya que éste va ligado de cierta forma al cálculo del tamaño promedio de gota que se necesita para que éstas sedimenten y ocurra la separación de fases dentro del desalador. El cálculo del corte de agua presente en el crudo desalado (Wcd) se debe realizar mediante un balance de masas que relaciona medidas de concentración a la salida del desalador como el que se presenta en la ecuación 5.15 en función de la concentración en PTB de sal en el crudo de salida (PTBo) (Erwin, 2002): Wcd [%v / v] = 2,85 × 10−6 ⋅ PTBo ⋅ ρ o [kg / m3 ] Cm ⋅ ρ w [kg / m3 ] (5.15) 36 e) Diámetro promedio de la gota Como se expuso anteriormente, el corte de agua en el crudo desalado es un factor importante a la hora de determinar el diámetro promedio de gota que se necesita para separar la emulsión. Sin embargo, se puede decir que el factor más influyente en este caso sería la viscosidad del crudo, ya que mientras más viscoso es el crudo a tratar, más grandes serán las gotas que puedan removerse en un tiempo razonable. Primero, se debe calcular el diámetro de la gota en el caso que el corte de agua en el crudo desalado sea 1% v/v (dm1%); con dicho valor obtenido y el corte de agua que se requiere, luego, calcular el diámetro de gota correspondiente a dicho corte (dm). Las relaciones para ambos casos son las que constituyen las ecuaciones 5.16 y 5.17 (Abdel-Aal y Aggour, 2003): dm1% [ µ m] = 170 ⋅ µo [cP]0,4 (5.16) dm[ µ m] = dm1% [ µ m] ⋅ Wo 0,33 (5.17) 5.3.4. Dimensiones del equipo El dimensionamiento del desalador se realizó mediante ecuaciones que se deducen al establecer las restricciones de sedimentación que están determinadas para los equipos de tratamiento de emulsiones (Arnold y Stewart, 2007). A continuación se presenta el procedimiento a seguir para determinar el diámetro y la longitud del equipo, el tiempo de residencia, el volumen total y el volumen ocupado por la fase acuosa. a) Diámetro y longitud efectiva del desalador En este caso se debe establecer, para obtener el valor del diámetro y la longitud del recipiente, que la velocidad de la gota de agua al asentarse debe ser suficiente para vencer la fuerza de arrastre que ejerce el crudo fluyendo en dirección contraria a la gota a través del desalador. Partiendo de esta premisa, establecer la velocidad de asentamiento igual a la velocidad del crudo y utilizar la relación resultante para obtener la dependencia entre la longitud y el diámetro del equipo. Finalmente con la ecuación obtenida y la relación longitud – diámetro (F1) establecida en las patentes y publicaciones que describen el proceso de desalación y procesos afines, constituir las ecuaciones que determinan el dimensionamiento del equipo, las cuales proporcionan la longitud (Leff) y el diámetro (D) del recipiente (ecuaciones 5.18 y 5.19). 37 Leff [m] D[m] D[m] = = F1 (5.18) 18 ⋅ µo [ Pa.s ] ⋅ Qo [m3 / s ] ∆ρ [kg / m3 ] ⋅ g[m / s 2 ] ⋅ dm[m]2 ⋅ F1 (5.19) b) Tiempo de residencia Al igual que las dimensiones del recipiente, el tiempo de residencia depende de las restricciones del equipo. Como punto de partida, es necesario establecer que el tiempo de residencia es igual al tiempo que tarda el crudo en fluir a través del recipiente, lo que a su vez es igual al tiempo en que las gotas sedimentan y se separan del crudo, es decir, al obtener el tiempo de residencia para el crudo, este se considera igual al tiempo de residencia para la fase acuosa. Para el cálculo, suponer que el crudo ocupa sólo el setenta y cinco (75) por ciento del equipo, luego, determinar las ecuaciones que definen el volumen ocupado por el crudo y el caudal del mismo, y finalmente igualar la expresión que define dicho volumen dividido por el tiempo que tarda el crudo en fluir a través del recipiente (tiempo de residencia) con el caudal del crudo (Arnold y Stewart, 2007), de lo que resulta la ecuación 5.20 que determina el tiempo de residencia del crudo, (tr)o. (tr )o [ s] = 3,20 × 10−5 ⋅ D[m]2 ⋅ Leff [m] (5.20) Qo [bbl / día] c) Volumen total del equipo Hasta este punto sólo se conoce el diámetro y la longitud efectiva del recipiente, sin embargo era necesario conocer además del volumen efectivo del equipo (Voeff), el volumen total del mismo (Vototal), ya que este valor permite determinar el tiempo en que se llena el equipo, así como también proporciona información necesaria para el arranque y parada de la planta. Debido a que la forma del recipiente es cilíndrica y semiesférica, el cálculo del volumen total se realiza con la contribución del volumen cilíndrico (o efectivo) y el volumen de las semiesferas (Vosemi) como se muestra en la ecuación 5.21 (Perry et. al., 1992): Vototal [m 3 ] = Voeff [m 3 ] + Vosemi [m3 ] = π ⋅ D[ m]2 ⋅ Leff [ m] π ⋅ D[m]3 4 + 6 (5.21) 38 d) Volumen ocupado por la fase de agua y su respectiva altura En los recipientes separadores, tanto bifásicos como trifásicos, debe existir un volumen fijo ocupado por la fase más densa, el cual favorece la separación de fases. En el caso de la separación de la mezcla agua y crudo, este volumen fijo se corresponde a la fase de agua. El procedimiento óptimo para determinar el porcentaje de volumen ocupado por el agua (%Voif), es por medio de la experimentación, sin embargo, debido a que se carece de estos medios exploratorios, lo que resulta más conveniente es fijarlo de acuerdo a la experiencia observada en las publicaciones, patentes y normas de separadores y desaladores; y con dicho valor fijado, obtener el volumen ocupado por la fase de agua (Voif), como se muestra en la ecuación 5.22. Es necesario también, conocer la altura de la fase de agua (hif), ya que este valor es de gran ayuda para posteriormente determinar la distribución interna del recipiente. Esta altura, se debe calcular mediante una serie de relaciones trigonométricas con las dimensiones del equipo, las cuales se representan en las ecuaciones 5.23 a 5.26. %Vo ⋅ Vototal [ m 3 ] if Voif [ m ] = 100 3 θ = 2 ⋅ arccos(1 − 2 ⋅ hif [m] D ) (5.22) (5.23) 1 Voif 1[m3 ] = ⋅ D[ m]2 ⋅ Leff [m] ⋅ (θ − senθ ) 8 (5.24) 1 Voif 2 [ m3 ] = ⋅ π ⋅ hif [m]2 ⋅ (3 ⋅ D[m] − 2 ⋅ hif [m]) 6 (5.25) Voif [m3 ] = Voif 1[m3 ] + Voif 2 [m3 ] (5.26) e) Distancia recorrida por la gota Se debe suponer que esta distancia es aquella que va desde la interfaz agua – crudo hasta el electrodo superior, debido a que dicho valor establece el recorrido más largo que puede realizar la gota antes de llegar a la interfaz. Esta distancia también constituye un factor importante en la distribución interna en el recipiente, especialmente en la posición de los electrodos. El valor se 39 determina mediante la ecuación que relaciona el tiempo de residencia con la velocidad de asentamiento o sedimentación (Ves) y la distancia recorrida por la gota (hesi), la cual se presenta en la ecuación 5.27 (Fetter et. al., 2005). hesi [m] = (tr )o [ s ] ⋅ Ves [m / s] (5.27) 5.3.5. Diseño eléctrico del equipo A continuación se presenta el procedimiento que se utiliza para obtener los parámetros que determinan el diseño eléctrico del equipo, donde se obtiene el campo eléctrico que se debe aplicar, así como también el valor máximo del mismo y el voltaje correspondiente. a) Constante dieléctrica del crudo y del agua La constante dieléctrica del crudo y el agua son parámetros necesarios para posteriormente obtener el campo eléctrico que se debe aplicar en el proceso. En esta sección se describe el procedimiento que se debe aplicar para calcular dichos parámetros. - Constante dieléctrica del crudo Utilizar el valor reportado en la literatura, el cual oscila en un rango de 2 – 2,5 (Pérez y Garfias, 2002); y suponer que dicho valor no varía con la temperatura, o con ninguna otra variable de proceso. - Constante dieléctrica del agua En este caso, la constante dieléctrica (εw), es sensiblemente proporcional a la temperatura, por lo que para su obtención es necesario realizar un análisis de los datos de variación de la constante dieléctrica del agua en función de la temperatura, y de esta manera obtener una relación para estimar este parámetro teniendo como dato la temperatura de operación, la cual se presenta en la ecuación 5.28 (Masliyah y Bhattacharjee, 2006). ε w = 7, 26 × 10−4 ⋅ T [°C ]2 − 3,96 × 10−1 ⋅ T [°C ] + 8,79 × 10+1 (5.28) b) Tensión superficial del sistema agua – crudo La tensión interfacial es uno de los factores que influyen en la coalescencia de las gotas, ya que este valor establece el voltaje máximo que puede ser aplicado antes de que las fuerzas electrostáticas superen las fuerzas interfaciales y se produzca la ruptura de las gotas, fenómeno 40 que desfavorece la coalescencia de las mismas. Para el cálculo de esta propiedad es necesario conocer la tensión superficial de ambos líquidos (agua y crudo) (λw, λo), debido a que la tensión interfacial entre ellos (λw-o) viene dada por la ecuación 5.29 (Eow y Ghadiri, 2003). λw−o [mN / m] = λw [mN / m] − λo [mN / m] - (5.29) Tensión superficial del agua Para este caso utilizar los datos reportados en la literatura, donde se presenta la variación de la tensión en función de la temperatura. A partir de esta funcionalidad, desarrollar una expresión para estimar la tensión superficial del agua en función de la temperatura en un rango determinado, la cual se presenta en la ecuación 5.30. λw [mN / m] = −3,07 × 10−4 ⋅ T [°C ]2 − 1,36 × 10−1 ⋅ T [°C ] + 7,56 × 10+1 - (5.30) Tensión superficial del crudo Para el crudo utilizar la correlación del método de los estados correspondientes desarrollada por Brock y Bird para líquidos no polares. Dicha propiedad viene dada por las ecuaciones 5.31 y 5.32 (Darwish et. al., 1995). 2 1 11 λo [ mN / m] = 1,682 × 10−1 ⋅ Pcri [ psi] 3 ⋅ Tcri [ K ] 3 ⋅ BB ⋅ (1 − Tr ) (T ) ⋅ ln( Pcri [ psi ] ) bo r 14,696 BB = 0,1196 ⋅ 1 + − 0, 279 1 − (Tbo )r 9 (5.31) (5.32) Esta ecuación varía en función de parámetros propios del crudo, como la presión crítica (Pcri), la temperatura crítica (Tcri), la temperatura reducida (Tr) y la temperatura de ebullición reducida ((Tbo)r). Dichos parámetros se obtuvieron de la siguiente manera: - Presión y temperatura crítica del crudo Para el cálculo de estas propiedades físicas se deben utilizar una serie de correlaciones propuestas por Riazi y Daubert, 1980, en donde se obtienen dichas propiedades conociendo la 41 temperatura de ebullición (Tbo) y la gravedad específica del hidrocarburo (GE), como se muestra en las ecuaciones 5.33 y 5.34 Pcri [ psi ] = 8,0210 × 10+8 ⋅ Tbo [ K ]−2,3125 ⋅ GE +2,3201 (5.33) Tcri [ K ] = 19,0623 ⋅ Tbo [ K ]+0,58848 ⋅ GE +0,3596 (5.34) Entonces, para obtener el valor de la presión y la temperatura crítica, es necesario conocer la temperatura de ebullición, la cual se debe calcular utilizando una correlación en función del factor de caracterización de Watson (UOPk), como en la ecuación 5.35 (Darwish et. al., 1995). Tbo [ K ] = (GE ⋅ UOPk )3 1,8 (5.35) c) Gradiente de campo eléctrico máximo Como ya se dijo anteriormente, si el campo eléctrico aplicado es muy alto, la gota se deformará de tal manera que se asemejará a un delgado hilo que eventualmente se romperá y evitará la coalescencia con las demás gotas. Es por ello que en el diseño del equipo se debe reportar este valor, el cual establece el voltaje máximo que puede soportar el equipo para mantener la eficiencia del proceso. Para su cálculo existen una variedad de expresiones similares reportadas por la literatura, estas en general difieren solo en un parámetro experimental, que dependiendo del método utilizado para obtenerlo, varía de una literatura a otra. Para la obtención y validación del campo eléctrico crítico (Ec), lo que se realiza es una comparación de algunas de las relaciones encontradas para verificar la confiabilidad del resultado. Todas las expresiones para la obtención del campo eléctrico crítico mantienen la misma dependencia directa con la tensión interfacial entre el sistema agua - crudo y una dependencia inversa con el diámetro de la gota que se requiere para separar la emulsión. La primera relación está establecida como una condición de inestabilidad para la fase dispersa; por encima del valor de campo eléctrico determinado por la ecuación 5.36, la interfaz se hace inestable, por lo que ocurre la ruptura, produciéndose gotas más finas (Eow et. al., 2001). Esta ecuación depende de una constante de proporcionalidad (Kp) que está en función de las propiedades eléctricas de los fluidos. 42 Ec [V / m] ≤ K p ⋅ λw−o [mN / m] d m [ µ m] (5.36) La segunda expresión está definida a partir del número de Weber ((Weel)crit), el cual indica el significado del estrés electrostático con respecto a la tensión interfacial, como se muestra en la ecuación 5.37. (Weel )crit = ε1 ⋅ ε 0 [ F / m] ⋅ Ec [V / m]2 ⋅ d m [ µ m] λw−o [mN / m] (5.37) En este caso, se presenta un número de Weber crítico obtenido experimentalmente, de lo que resulta la ecuación 5.38 (Eow y Ghadiri, 2003). Ec [V / m] = 0,67 ⋅ λw−o [ mN / m] ε 1 ⋅ ε 0 [ F / m] ⋅ d m [ µ m] (5.38) Finalmente para la última expresión, como en los casos anteriores, se supone que al aplicar un campo eléctrico uniforme a una gota de agua ésta se alarga en la dirección del campo eléctrico, cambiando su forma esférica a la de un esferoide alargado. Balanceando los efectos de la tensión interfacial y la presión electrostática, y tomando en cuenta la excentricidad (ex) de la nueva forma adoptada por la gota en función de la relación entre radios de la gota deformada (b/a), se consigue la expresión de la estabilidad de la misma, obteniéndose las ecuaciones 5.39 a 5.41 (Sjöblom, 2006): 1 4 3 2 λw− o [mN / m] b b b 3 Ec [V / m] = 2 ⋅ ⋅ 2 − − ⋅ I 2 ⋅ ε1 ⋅ ε 0 [ F / m] ⋅ d m [ µ m] a a a I2 = 1 + ex 1 −3 −2 ⋅ ex ⋅ ln − ex 2 1 − e x b ex = 1 − a (5.39) (5.40) 2 (5.41) 43 En donde ex corresponde a la excentricidad del esferoide, y, a y b, corresponden a los radios del mismo, los cuales se representan gráficamente en la Fig. 5.1. La manera de encontrar el máximo entre ambas distancias teóricamente según la literatura, consistió en evaluar para distintos valores del cociente entre a y b, el campo eléctrico que se obtiene, resultando de esta evaluación la curva que se representa en la Fig. 5.2 (Sjöblom, 2006): b a Figura 5.1. Deformación de la gota de agua bajo el efecto del campo eléctrico 4,5 4 3,5 3 a/b 2,5 2 1,5 1 30 60 45 75 Ec Figura 5.2. Elongación teórica de la gota en función del campo aplicado Hasta este punto, se logró dilucidar que el campo eléctrico crítico establece una condición de estabilidad para la gota de agua, esto permite determinar un máximo de campo eléctrico en el equipo, y con ello asegurar el correcto funcionamiento del mismo y además mantener la eficiencia de la separación. d) Distancia entre los electrodos. Caso AC Como ya se especificó anteriormente, en el caso del campo de corriente alterna, los electrodos generalmente son dos rejillas horizontales, conformados por varillas de electrodos que se unen 44 perpendicularmente para dar forma a dicha rejilla. Para el cálculo de este valor, se establecen las siguientes premisas; en primer lugar se supone que el electrodo inferior se encuentra fijado justo a la mitad del desalador (Koszman, 1974); también, se establece la distancia entre los electrodos (Lee) como la diferencia entre la distancia recorrida por la gota y la mitad del diámetro correspondiente al recipiente. La ecuación que simboliza lo dicho anteriormente es la 5.42. Lee [m] = hesi [m] − D[ m] 2 (5.42) Con respecto a la superficie horizontal de cada rejilla de electrodos se debe suponer que el ancho de la rejilla superior (Aele_s) ocupa el ochenta por ciento (80%) del diámetro del equipo, y el de la rejilla inferior (Aele_i) ocupa el noventa por ciento (90%); y el largo de ambas (Lele) es igual a la longitud efectiva del desalador. Esto se supone ya que en la literatura se reporta que se debe evitar el contacto de los electrodos con las paredes del desalador (Robinson, 1983). Lo dicho anteriormente se representa en las ecuaciones 5.43 a 5.45. Aele _ s [m] = 0,80 ⋅ D[m] (5.43) Aele _ i [m] = 0,90 ⋅ D[m] (5.44) Lele [m] = Leff [m] (5.45) e) Distancia entre gotas Este es un parámetro necesario para el diseño eléctrico del equipo, sin embargo, con los cálculos sólo se pueden conocer aproximaciones de este valor que dependen de suposiciones realizadas que pueden ser ciertas o no, dependiendo del caso establecido. Es decir, en el caso de la presente investigación se debe utilizar una expresión que relaciona el diámetro de una gota de agua, la distancia entre dos gotas, y la relación entre radios crítica ((a/b)crit). En este caso, según la literatura, (Sjöblom, 2006) es necesario suponer que el campo eléctrico crítico y la distancia entre gotas (Leg) elevado a una potencia son proporcionales. Finalmente, al relacionar esta 45 suposición con la relación entre radios correspondiente, se obtiene la ecuación 5.46, utilizada en el cálculo de la mencionada distancia. a d [ µ m] Leg [ µ m] = − 1 ⋅ m b crit 0,568 f) (5.46) Campo eléctrico aplicado En este caso, se debe considerar las siguientes premisas para facilitar y/o simplificar el cálculo del mencionado parámetro. Primero, se sabe que cuando una partícula se mueve a través de un fluido, una serie de fuerzas estarán actuando sobre la partícula (Eow y Ghadiri, 2002), como la fuerza de flotación (Fb), la fuerza gravitacional (Fg) y la fuerza de arrastre (Fa). Aunado a esto, la acción de un campo eléctrico uniforme origina un cambio en la carga eléctrica característica del sistema, como por ejemplo, para una gota de agua neutral en un medio de baja constante dieléctrica, ésta se polarizará a raíz de la reorientación de los dipolos moleculares con el campo eléctrico, lo que conduce a la formación de dipolos inducidos (Nöik et. al., 2006). Lo expuesto anteriormente conduce a la afirmación que además de los efectos hidrodinámicos que actúan sobre la partícula, también existen una serie de fuerzas electrostáticas, como la fuerza dipolar (Fdip), la electroforética (Fe) , y la dielectroforética, esta última que depende de la uniformidad del campo. En el campo AC, el balance obtenido de las fuerzas que actúan sobre la gota de agua son las que se representan a continuación en la Fig. 5.3. En las ecuaciones 5.47, 5.48, 5.49, 5.50, 5.51 y 5.52 se presenta la manera en que se define cada fuerza, junto con el balance final del que se obtiene el valor del campo eléctrico: - Fuerza de flotación 1 Fb [ N ] = ⋅ π ⋅ g[m / s 2 ] ⋅ d m [m]3 ⋅ ρ o [kg / m3 ] 6 - (5.47) Fuerza de arrastre Fa [ N ] = 3 ⋅ π ⋅ µ ⋅ d m [m] ⋅ Ves [ m / s] (5.48) 46 Fb Fe Fa Fdip Fg Electrodos Interfaz Agua - Crudo Figura 5.3. Fuerzas que actúan en la gota de agua emulsionada bajo el campo eléctrico - Fuerza gravitacional 1 Fg [ N ] = ⋅ π ⋅ g[m / s 2 ] ⋅ d m [m]3 ⋅ ρ w [kg / m3 ] 6 - Fuerza dipolar Fdip [ N ] = - 3 ⋅ π ⋅ ε o [ F / m] ⋅ ε 1 ⋅ d m [m]6 ⋅ Eo [V / m]2 8 ⋅ Leg [m]4 (5.50) Fuerza electroforética 1 Fe [ N ] = ⋅ π 3 ⋅ d m [m]2 ⋅ ε 1 ⋅ ε o [ F / m] ⋅ Eo [V / m]2 6 - (5.49) (5.51) Fuerza dielectroforética En este caso no se toma en cuenta esta fuerza, debido a que el campo aplicado se considera como un campo eléctrico uniforme, condición que anula la mencionada fuerza. - Balance resultante Para este balance se supone lo siguiente: 47 a) Como se muestra en la Fig. 5.3 las fuerzas están en una misma dirección, la cual se considera la dirección del eje de las ordenadas y la orientación positiva apunta en la misma dirección que la velocidad de sedimentación de la partícula. b) La derivada de la velocidad de sedimentación de la partícula en función del tiempo es aproximadamente igual a la diferencia entre la velocidad final e inicial de la partícula en el proceso de sedimentación y coalescencia, dividido por el tiempo de residencia de la partícula entre los electrodos. c) La velocidad de la partícula justo al llegar al electrodo superior y antes de comenzar el proceso de sedimentación y coalescencia es igual a cero. De acuerdo a estas premisas se obtuvo el balance resultante (ecuación 5.52) el cual permite el cálculo del campo eléctrico aplicado (Eo) en función de los parámetros conocidos y/o previamente calculados, como la masa (Mgw) y la velocidad (Vegw) de una gota. M gw [ kg ] ⋅ dVegw [m / s ] dt[ s ] Ve [m / s ] 1 = ⋅ π ⋅ d m [m]3 ⋅ ρ w [kg / m3 ] ⋅ s = ( Fg + Fdip − Fb − Fa − Fe )[ N ] 6 (tr )ee[ s ] (5.52) La forma en que se debe calcular el tiempo en que la gota recorre la distancia entre los electrodos ((tr)ee) se muestra en la ecuación 5.53. (tr )ee [ s ] = hesi [m] ⋅ (tr )o [ s ] Lee [ m] (5.53) g) Voltaje aplicado El voltaje aplicado (V), depende exclusivamente de la distancia entre los electrodos y el campo eléctrico aplicado, por lo que este parámetro se debe calcular mediante la ecuación 5.54. V [V ] = Eo [V / m] ⋅ Lee [m] (5.54) 5.3.6. Niveles de interfaz, internos, control y material del desalador A continuación se describe el procedimiento que se debe utilizar para definir los niveles de interfaz, los internos, la filosofía de control y el material del desalador. 48 a) Niveles de interfaz Estos valores son muy útiles a la hora de establecer el sistema de control del equipo, ya que estos determinen los valores de alarma por encima y por debajo del nivel normal. Para fijar estos valores se debe utilizar los estándares establecidos en la norma PDVSA “Separadores LíquidoLíquido”. Según la norma, la identificación de los niveles en un recipiente se muestra en la Tabla 5.1. Tabla 5.1. Identificación de los niveles de interfaz Siglas Típicas en Español Descripción Típica Siglas Típicas en Inglés NAAI Nivel Alto Alto de Interfaz HHIL NAI Nivel Alto de Interfaz HIL NNI Nivel Normal de Interfaz NIL NBI Nivel Bajo de Interfaz LIL NBBI Nivel Bajo Bajo de Interfaz LLIL Para determinar los niveles de la interfaz utilizando la mencionada norma se necesita las siguientes suposiciones: - En el caso de la norma utilizada se considera los separadores líquido – líquido sin internos. Sin embargo, para efectos de la presente investigación, se tiene un separador con internos que son los encargados de promover la separación electrostática. Estos internos, los electrodos, en ningún momento deben estar por debajo de la interfaz, ya que si estos se encuentran sumergidos en un medio con mayor porcentaje de fase acuosa se formará un arco eléctrico que anula el campo electrostático, y por ende la coalescencia de las gotas. Es por ello, que para poder utilizar los estándares establecidos por la norma es necesario suponer que, lo que en el caso de la norma es considerado como tope, para fines de la presente investigación, dicho tope será considerado como la altura del primer electrodo. - Por otro lado, al estar controlando el nivel de un equipo dimensionado a escala banco, se hace innecesario la discriminación exhaustiva de los niveles como la que presenta 49 la norma, por lo que para los efectos del diseño del equipo en cuestión, se consideraron sólo los niveles NAAI, NNI y NBBI, y por razones de simplificar, el nivel NAAI se denominó NAI, de la misma manera con el nivel NBBI, sin que ninguno de los dos perdiera su significado dentro de la norma. Considerando lo anterior y siguiendo lo establecido por la norma, se debe determinar los niveles de la interfaz en función de la distancia desde el fondo hasta el electrodo inferior, los cuales se muestran en la Tabla 5.2. Tabla 5.2. Niveles de la interfaz en función de la distancia desde el fondo hasta el electrodo inferior Nivel de Interfaz % (Le1e_i) NAI 76,4 NNI 50 NBI 27,5 b) Diseño del distribuidor del desalador El dimensionamiento del distribuidor del desalador es importante, ya que de este depende la velocidad del fluido de entrada del desalador y como ya se ha mencionado previamente, uno de los principios en que se fundamenta el diseño del desalador es que la velocidad con la que el fluido de entrada fluye en el desalador debe ser igual o menor a la velocidad con la que sedimentan (o coalescen) las gotas de agua. Para este diseño es necesario utilizar el procedimiento establecido por la norma PDVSA “Separadores Líquido – Vapor”. En dicha norma se encuentra un apartado donde se describen los criterios para las especificaciones y cálculos asociados a los distribuidores en “T” utilizados en separadores. En general, las especificaciones y cálculos utilizados para el diseño del distribuidor son los siguientes: - Especificaciones El diámetro del distribuidor (dp) es igual al diámetro de la boquilla de entrada del mismo. 50 El ancho de las ranuras (Anran) mínimo es de 15 mm. El distribuidor consta de una única fila de ranuras. Los lados de la “T” del distribuidor son simétricos. A continuación, en la Fig. 5.4 se observa el dibujo representativo de la forma y dimensiones del distribuidor Seran Anran Seran Lran dp dp Figura 5.4. Dibujo representativo de la forma y dimensiones del distribuidor - Cálculos Longitud de las ranuras (Lran) Según la norma, esta corresponde a un tercio de la longitud interna de la tubería del distribuidor (ecuación 5.55). Lran [mm] = π ⋅ d p [mm] 3 (5.55) Distancia desde la boquilla de entrada hasta la superficie de choque (Lbsc) Esta distancia, para separadores horizontales, según la norma se establece como el diámetro del recipiente. Se calcula mediante la ecuación 5.56. Lbsc [m] = D[m] (5.56) Velocidad máxima a la salida de la boquilla de entrada (Vsbmax) Es la velocidad máxima de la mezcla, tal que no ocurra arrastre en la superficie del líquido. Se obtiene de la siguiente manera; dependiendo del valor obtenido del cociente entre la distancia desde la boquilla hasta la superficie de choque y el ancho de la ranura, se calcula con la ecuación 5.57, la cual se corresponde con el valor obtenido de dicho cociente. 51 Vsb max [ m / s] = 7,0 × 10−5 ⋅ λw− o [ N / m] ρ [ kg / m 3 ] µo [ Pa.s] ⋅ o 3 ρ w [kg / m ] 0,5 An [m] ⋅ ran Lbsc [m] 0,5 (5.57) Área de la ranura (Aran) El área de una ranura es igual al producto entre la longitud y el ancho de la misma, como se muestra en la ecuación 5.58. Aran [mm 2 ] = Lran [mm] ⋅ Anran [mm] (5.58) Número de ranuras en el distribuidor (Nran) Para el cálculo de este valor se divide el caudal de entrada por la velocidad máxima en cada ranura multiplicándose por el área de la misma, lo que se representa en la ecuación 5.59. N ran = Qo [m3 / s ] Aran [m 2 ] ⋅ Vsb max [m / s] (5.59) Longitud del distribuidor (Ldis) Finalmente se calcula la longitud del distribuidor, valor que debe corresponderse con las dimensiones del equipo, en caso contrario, se deberán revisar las dimensiones de las ranuras del distribuidor, hasta obtenerse un valor coherente con el sistema. La ecuación con la que se determina dicho valor es la 5.60. Ldis [mm] = N ran ⋅ ( Aran [mm] + Seran [mm]) + 2 ⋅ Seran [mm] + d p [ mm] (5.60) Siendo Seran la separación entre las ranuras. Según la norma, dicha separación se establece igual a 25 mm, sin embargo, para las dimensiones requeridas y el número de ranuras necesarias, se disminuyó dicho valor a 7,55 mm (se obtiene a partir de un tanteo simple, donde se calcula la longitud del distribuidor y analizando el resultado se determina si se disminuye, aumenta o mantiene el valor de la separación entre las ranuras), valor que se corresponde con las dimensiones de un equipo a escala laboratorio, como el que se pretende diseñar en el presente trabajo. 52 c) Colector del desalador En el caso del colector del equipo no existen las restricciones de flujo que se presentan en el caso del diseño del distribuidor; entonces, el diseño del colector, se realizó de una manera similar a la del distribuidor, pero sin considerar las condiciones de flujo establecidas previamente para el distribuidor. En la Fig. 5.5 se observa un dibujo representativo de la forma y dimensiones del colector dp Seran Anran dp Lran Figura 5.5. Dibujo representativo de la forma y dimensiones del colector d) Mud-Wash del desalador En este caso el diseño es conceptual y se plantea el principio del sistema de acuerdo a lo que está establecido en la literatura y en patentes revisadas. Dicho sistema consiste en utilizar parte del agua de salida del desalador para recircularla e inyectarla a alta presión de nuevo al sistema por medio de un sistema de tuberías direccionada hacia las paredes del fondo del recipiente, que se acomodan a través y a lo largo de una tubería distribuidora, similar al sistema de distribución descrito anteriormente; sólo que en lugar de agujeros, se encuentra dispuesto el mencionado arreglo de tuberías; lo que genera una turbulencia en la fase acuosa, y fluidiza la capa de lodo dentro del desalador y a su vez permite remover los sedimentos que no fluyen regularmente debido a que se depositan en el fondo del recipiente. La capacidad de la bomba de inyección del mud-wash debe ser mayor que la velocidad de sedimentación de los sólidos que van a formar la capa de lodo, pero menor que la velocidad de salida de agua, con el propósito de garantizar la remoción de los sólidos, sin afectar la operación de control de nivel. (Dewalls y Binford, 1997) y (Aquino, 1999). e) Sistema de control del desalador Con el conocimiento de los principios que rigen el funcionamiento del equipo y lo revisado en la literatura, se determinaron las variables críticas para el control del equipo. Éstas conforman las variables que se necesita controlar y se establecieron mediante las siguientes afirmaciones reportadas en la literatura. 53 - Una de las variables más crítica es la condición y posición de la interfaz. Un control óptimo de esta variable tiene un impacto significativo en la eficiencia del proceso (Fransen, 2004). - La presión del desalador se debe mantener siempre lo suficientemente alta para evitar la vaporización del crudo y/o el agua (Hart, 1993). - La deformación de las gotas de agua debido a la acción de un campo eléctrico es necesaria para que ocurra la coalescencia, sin embargo, cuando se excede de un valor crítico de voltaje aplicado, esta deformación conduce a una inestabilidad en la interfaz agua – crudo, y por ende se tendrá un efecto contrario a la coalescencia debido al rompimiento de las gotas (Roero, 2004). A partir de lo expresado anteriormente se estableció el sistema de control del equipo de manera que se mantenga una revisión y control constante en el desalador de las variables que determinan la efectividad y el correcto funcionamiento del equipo. Para ello se establecen las variables controladas, manipuladas y medidas, las cuales se describen a continuación: - Variables controladas: Nivel de la interfaz, presión de operación y el campo eléctrico aplicado. - Variables manipuladas: Flujo de salida del agua, flujo de salida del crudo y voltaje aplicado. - f) Variables medidas: Nivel alto y bajo de interfaz, presión en el equipo y voltaje. Material del recipiente Debido a que el presente proyecto se trata de un diseño de una planta a escala banco con el propósito de investigar el proceso de desalación junto con los fenómenos que ocurren durante el rompimiento de la emulsión agua en crudo, se hace necesario estudiar la posibilidad de construir el equipo en un material que permitiera la visibilidad del proceso, como por ejemplo, el polimetilmetacrilato (Plexiglass®). Entonces, los parámetros que se toman en consideración son los siguientes - Resistencia a la corrosión electroquímica y por actividad salina. - Resistencia a la temperatura de operación. - Resistencia a la presión de operación. - Resistencia a las propiedades de los fluidos del proceso. 54 5.4. Balance de masa y diagrama de bloques del proceso El balance de masa general se realizó a partir del balance que se obtuvo previamente en el diseño del desalador. Utilizando los datos obtenidos se calculó el balance global considerando que no existe reacción química en ningún equipo del proceso, la ecuación 5.61 representa el balance de masa dentro de cada equipo. dM − ∑m + =0 ∑m out in dt (5.61) Lo que significa que la masa que entra al equipo (min) debe ser igual a la masa que sale del mismo (mout) más lo que se acumula (dM/dt). En la presente investigación se supone que dentro de los equipos no hay acumulación de materia, es decir sólo se consideraron los términos de entrada y salida de materia a los equipos. Existen una serie de propiedades de las corrientes que son necesarias para la realización del balance de masa. En este caso, era necesario conocer la densidad y el peso molecular de cada componente para cada corriente a la temperatura correspondiente. A continuación se muestra como se realizó el cálculo de ambas propiedades. - Densidad Para el cálculo de la densidad del crudo y el agua se utilizan las ecuaciones 5.5, 5.6 y 5.7, correspondientes al cálculo de densidad realizado para el diseño del desalador. Para la densidad de la sal se establece al igual que en el diseño del equipo un valor obtenido en la literatura (Perry et. al., 1992) considerado como constante para todo valor de temperatura. Finalmente, para el desemulsificante se utiliza el valor a 60° F (15,6° C) reportado por el proveedor de dicho químico y se supone constante para cualquier valor de temperatura debido a la ausencia de datos para el mencionado químico. En los casos en los que se requiere calcular la densidad de la mezcla (ρmez), se utilizó la ecuación 5.62, la cual es la que corresponde a la densidad de una mezcla de líquidos. Dónde, xi y ρi es la concentración molar y la densidad del componente i, respectivamente. 1 ρ mez =∑ xi ρi (5.62) 55 - Peso molecular Para el agua se utilizó el valor correspondiente reportado en la literatura (Perry et. al., 1992). Para la sal, se supuso que el cloruro de sodio (NaCl) es predominante, por lo que se utilizó el peso molecular correspondiente a dicha sustancia (Perry et. al., 1992). Para el desemulsificante, se supuso que el solvente más común para estos químicos es el xileno, por lo que se utilizó el peso molecular correspondiente a esta sustancia (Perry et. al., 1992). Finalmente, el peso molecular del crudo, el cual depende de la gravedad API del mismo, se calculó mediante la ecuación 5.63 obtenida a partir de una regresión lineal realizada a una gráfica del peso molecular del crudo en función de su gravedad API (Bánzer, 1997). PM = −10,3 ⋅ API + 645 o (5.63) Los resultados obtenidos se deben representar mediante tablas y gráficamente a través de un diagrama de bloques. El procedimiento que se utiliza para realizar dicho diagrama se desglosa a partir de la definición del mismo presentada en el Capítulo 4 de la presente investigación, y es el que se presenta a continuación: - Se identifican las secciones más importantes del proceso según lo reportado en la literatura y lo obtenido en el diseño del proceso realizado anteriormente. - Posteriormente, dichas etapas se representan gráficamente, mediante bloques rectangulares, que posteriormente se acoplan mediante líneas que le proporcionan sentido lógico al proceso. - Finalmente se identifican las corrientes principales del proceso, de manera que se visualice claramente las condiciones iniciales y finales del proceso según lo establecido previamente en el balance de masa. 5.5. Diagrama de flujo del proceso Para la realización del diagrama se deben seguir las especificaciones establecidas en la norma PDVSA “Preparación de Diagramas de Proceso”; utilizando también como referencia lo establecido por Walas, 1990, para el dibujo de los diagramas, las figuras representativas de los equipos y los datos que normalmente se incluyen en los mencionados diagramas. Entre lo que se debe tomar en cuenta para su realización, se tiene lo siguiente: - Información que debe contener 56 Balance de masa y datos del proceso afines al balance Equipos de proceso con sus respectivos datos y codificación Líneas de proceso debidamente identificadas Control básico del proceso (en el caso particular de esta investigación, se reflejaron sólo los sistemas de control básicos con influencia directa en el proceso, la información detallada de los sistemas de control se verá reflejada en el respectivo diagrama de tuberías e instrumentación) - Preparación Como punto de partida se establecen las bases de diseño (en la presente investigación estas se establecen en el diseño del desalador) y la versión inicial del balance de masa Se tabulan los balances de masa y de energía para cada corriente, para una mejor comprensión del proceso. Se indica el límite de batería, utilizando una línea vertical y punteada Se realiza el trazado y la codificación de los equipos según lo estipulado en la norma PDVSA “Preparación de diagramas de proceso” (Para fines de la presente, se utiliza el software “Microsoft Office Visio Professional 2003”, el cuál contiene el trazado de los equipos de proceso más comunes como formas previamente establecidas). Finalmente, se realiza el trazado y codificación de las corrientes o líneas de proceso según lo que establece la norma PDVSA “Preparación de diagramas de proceso”. 5.6. Balance de energía del proceso El principio que rige la realización del balance de energía del proceso es similar al del balance de masa, denominada ley de la conservación de la materia y la energía. La ecuación 5.64 determina dicho balance sobre un sistema. Acumulación de energía dentro del sistema = Transferencia de energía hacia el sistema - Transferencia de energía del sistema + Generación de energía dentro del sistema - Consumo de energía dentro del sistema Para el sistema en la presente investigación se realizan las siguientes suposiciones: 1. No hay acumulación de energía dentro del sistema 2. No hay generación de energía dentro del sistema 3. No se consume energía dentro del sistema Por lo que la relación presentada anteriormente se reduce a la ecuación 5.65. (5.64) 57 Transferencia de energía hacia el sistema = Transferencia de energía del sistema (5.65) Partiendo de las relaciones presentadas se realizó dicho balance para cada equipo del proceso utilizando la ecuación 5.66 que se corresponde con la primera ley de la termodinámica. ∆E[ J / s ] = Qh[ J / s ] + Wh[ J / s ] (5.66) Donde E es la energía acumulada en el sistema, que siendo consistente con lo que se dijo anteriormente, ésta es igual a cero, y, Qh y Wh representan la transferencia neta de calor y trabajo, respectivamente, entre el sistema y su entorno. Estos últimos son los valores que se obtuvieron para cada equipo y de esta forma se completa el balance de energía. Para el cálculo de la transferencia de trabajo se utilizaron las ecuaciones respectivas del diseño de los equipos que transfieren potencia dentro del sistema. Para el cálculo de la velocidad de transferencia de calor, en términos generales, se utiliza la ecuación 5.67. Donde M, Cp y T son el flujo másico, el calor específico y la diferencia de temperatura correspondiente, respectivamente. Q[ J / s ] = M [kg / s ] ⋅ C p [ J / kg °C ] ⋅ ∆T [°C ] (5.67) El cálculo del calor específico a presión constante para cada componente del sistema se debe realizar de la siguiente manera: - Calor específico del crudo: Este se calcula utilizando la correlación para aceites presentada por Perry et. al., 1992, la cual, para el caso de aceites de petróleo, expresa el calor específico mediante la ecuación 5.68. C p o [cal / g °C ] = - 0, 415 ρo [ g / cm3 ]15 + 0,0005 ⋅ (T [° F ] − 59) (5.68) Calor específico del agua: Para el caso del agua, se supone que la variación del calor específico con respecto a la temperatura es aproximadamente nula, por lo que el valor 58 que se utilizó fue igual a 1,0 cal/g°C (4180 J/kgK), el cual se mantuvo constante para todo el rango de temperatura (Perry et. al., 1992). - Calor específico de la sal: Se utiliza la correlación para cloruro de sodio (NaCl) presentada por Perry et. al., 1992, la cuál expresa el calor específico del NaCl mediante la ecuación 5.69. C p s [cal / g °C ] = 2,028 × 10−1 + 3,932 × 10−5 ⋅ T [° F ] - (5.69) Calor específico del desemulsificante: Al igual que en los cálculos anteriores se supone que el solvente más común es el xileno. Entonces, para efectos de los cálculos, se utiliza los datos reportados en la literatura (Perry et. al., 1992) para el xileno, con la cual, se realiza una correlación lineal en función de la temperatura, que se expresa mediante la ecuación 5.70. C p d [cal / g °C ] = 0, 4 + 0,0003 ⋅ T [° F ] (5.70) Finalmente, para el cálculo del calor específico de una corriente del sistema se utiliza la ecuación 5.71 correspondiente al calor específico de una mezcla. C p c = ∑ xi ⋅ C p i (5.71) 5.7. Especificaciones de los otros equipos del proceso A continuación se presenta el procedimiento que se utiliza para el diseño de los otros equipos del proceso los cuales son, los intercambiadores de calor, las bombas, los tanques y la válvula de mezclado. 5.7.1. Intercambiadores de calor En el proceso existen dos tipos de intercambiadores, los que tienen como función aumentar la temperatura de una corriente y los que por el contrario tienen el propósito de disminuir la temperatura de una corriente. Se realiza la diferenciación entre ellos, debido a que el proceso de diseño difiere para cada caso. 59 Para el caso en el que se desea aumentar la temperatura del fluido en una corriente, el tipo de intercambiador que se utiliza consiste en una resistencia eléctrica (cintas de calentamiento) colocada alrededor de una tubería en forma de espiral. El diseño de este intercambiador consiste en la especificación del área de transferencia de calor y la longitud de tubería requerida mediante el siguiente procedimiento: - El flujo de transferencia de calor se calculó por medio de la ecuación 5.67. - Utilizando la especificación de transferencia de calor por unidad de área proporcionada por el proveedor de las cintas de calentamiento, y el flujo de transferencia calculado, se obtiene el área de transferencia de calor requerida. - Considerando la longitud de la circunferencia que constituye el diámetro de la tubería, se obtiene la longitud de tubería requerida. Cuando se requiere enfriar el fluido de una corriente mediante un intercambiador de calor, generalmente, se utiliza agua como fluido de enfriamiento y el método de diseño aplicado se describe a continuación. Primero, se especificaron las consideraciones del diseño basadas en heurísticas de procesos de diseño (Walas, 1990). - La temperatura de entrada del agua será de 15 °C y la máxima de salida es de 25°C. - El coeficiente global de transferencia de calor para sistemas de intercambio entre agua y aceite tiene un valor entre 250 – 340 W/m2K, utilizando para los efectos del diseño el valor menor del rango mencionado. - El coeficiente global de transferencia de calor para sistemas de intercambio entre agua y agua tiene un valor aproximado de 850 W/m2K. Tomando en cuenta lo dicho anteriormente se procede a realizar los cálculos correspondientes: - Calcular la velocidad de transferencia de calor utilizando la ecuación 5.67. - Calcular la diferencia media logarítmica (Tmid) mediante la ecuación 5.72. ∆Tmid [°C ] = ∆Tcifo [°C ] − ∆T [°C ] cofi ∆Tcifo [°C ] ln( ) ∆T [°C ] cofi (5.72) Siendo, Tcifo la diferencia entre la temperatura de entrada del fluido caliente y la temperatura de salida del fluido frío, y Tcofi la diferencia entre la temperatura de salida del fluido caliente y la temperatura de entrada del fluido frío. 60 - Segundo, utilizando la ecuación básica de transferencia de calor se obtiene el área de transferencia de calor (At) con la ecuación 5.73, donde U, se refiere al coeficiente global de transferencia de calor. At [m 2 ] = - Qh[ J / s] U [ J / m 2 s°C ] ⋅ ∆Tmid [°C ] (5.73) Finalmente, utilizando la ecuación 5.67 se obtiene el flujo de agua de enfriamiento necesario para realizar la operación. 5.7.2. Bombas Para establecer las especificaciones de las bombas se utiliza como referencia el procedimiento establecido en la norma PDVSA “Cálculos en servicios de bombeo”, de donde se obtienen las siguientes especificaciones para las bombas: - Presión de succión nominal - Presión de succión máxima - Cabezal neto de succión positiva disponible (NPSHd) - Presión de descarga nominal - Presión de descarga máxima - Aumento de presión entre la succión y la descarga de la bomba - Cabezal - Eficiencia - Potencia Luego, utilizando los catálogos de bombas proporcionados por la empresa se escogen las bombas de acuerdo a las especificaciones obtenidas. 5.7.3. Tanques Los tanques se especificaron de acuerdo al volumen máximo de líquido que deberán contener, considerando lo siguiente: - El tiempo de operación de la planta es aproximadamente 8 horas. - El tanque alcanza su nivel máximo cuando el fluido ocupa el 75% del mismo. - Los tanques poseen una estructura de forma cilíndrica. - La altura del tanque es dos veces el diámetro del mismo. 61 - La altura mínima de los tanques es aproximadamente 0,15 m. 5.7.4. Válvula de mezclado La válvula de mezclado utilizada en procesos de desalación usualmente es una válvula de globo (Linga, 2009). Por lo que por medio de catálogos se especificaron las características de dicha válvula, suponiendo que la caída de presión en la misma es de 15 psi (103,4 kPa) debido a que dicho valor es el que se recomienda en la literatura para válvulas de mezcla en procesos de desalación (Aquino, 1999). 5.7.5. Otros equipos Los demás equipos faltantes como la fuente de poder y el filtro no se diseñaron, solamente se especificó su función dentro del proceso. 5.8. Lista de equipos La lista de equipos se realiza especificando lo siguiente para cada equipo: - Tipo específico de equipo - Tamaño y/o capacidad - Material de construcción - Temperatura máxima si el equipo opera por encima de la temperatura ambiente - Presión de operación - Mínima temperatura si el equipo va a ser refrigerado - Si requiere aislamiento - Condiciones especiales 5.9. Distribución de equipos en planta Se utiliza el esquema denominado “Layout en la dirección del flujo de proceso”, (Baasel, 1976). El cual consiste en ubicar los equipos de acuerdo al orden de aparición en el diagrama de flujo de procesos. Se debe escoger dicho esquema debido a que es el recomendado en plantas de bajo volumen de producción como la que se plantea en el presente trabajo de investigación. Para realizar el diagrama se toman en cuenta las siguientes consideraciones: - Se utilizan figuras geométricas que simulan el espacio que ocupa el equipo dentro de la planta. - No se toman en cuenta las válvulas ni los instrumentos de control del proceso. - Los intercambiadores se representan mediante tuberías que sumadas entre sí constituyen la longitud de la tubería especificada en el diseño de los mismos. 62 5.10. Filosofía de control del proceso y diagrama de tubería e instrumentación En el diseño del desalador ya se estableció la filosofía de control para dicho equipo, por lo que en este apartado sólo se discutirá el control de los otros equipos del proceso. La filosofía de control se estableció para estos equipos considerando lo siguiente: - Intercambiadores de calor Variable controlada: Temperatura de salida del fluido de proceso. Variable manipulada: Potencia aplicada (caso cintas de calentamiento), y flujo del fluido de enfriamiento (caso doble tubo) Variable medida: Temperatura del fluido del proceso a la entrada y a la salida. - Tanques Variable controlada: Contenido de líquido en los tanques. Variable manipulada: Flujo de salida de los tanques. Variable medida: Nivel alto y bajo de los tanques. - Bombas Variable controlada: Presión de descarga y potencia de la bomba. Variable manipulada: Flujo de salida de las bombas y motor de la bomba. Variable medida: Flujo de salida y potencia de la bomba. - Válvula de mezclado Variable controlada: Diferencial de presión. Variable manipulada: Apertura y cierre de la válvula. Variable medida: Diferencia de presión entre la entrada y la salida de la válvula. A partir de estas premisas y los ejemplos de sistemas de control establecidos en la literatura (Walas, 1988), se determina el control de cada equipo individualmente, lo que posteriormente se representa en el diagrama de instrumentación y tubería (DTI) de acuerdo a lo establecido en la norma PDVSA “Preparación de Diagramas de Proceso” mencionada anteriormente. 5.11. Procedimiento de arranque y parada El procedimiento de arranque y parada de la planta son una serie de instrucciones detalladas que debe seguir el operador de la planta para hacerla funcionar y detener en el momento requerido y en condiciones de emergencia. En la elaboración preliminar de estos procedimientos 63 se utiliza como referencia la planta desaladora (6 bbl/día) ubicada en el complejo de plantas pilotos de PDVSA – Intevep. En total se realizan cuatro procedimientos de la siguiente manera: - El pre – arranque, donde se enumeran las labores que el operador debe realizar con el fin de preparar la planta para el arranque respectivo. - El arranque, procedimiento en el que se especifican las instrucciones para dar inicio a la operación de la planta. - La parada normal, donde se establecen los procedimientos para parar la planta una vez que ha finalizado la carga en el tanque de alimentación. - Parada de emergencia, donde se identifican una serie de posibles fallas y su respectivo plan de acción en caso de situaciones de emergencia. 5.12. Filosofía de Seguridad Finalmente para constituir la filosofía de seguridad de la planta se realiza un estudio de los posibles riesgos operacionales de la planta, incluyendo la toxicología de los fluidos de proceso. Posteriormente, con lo obtenido se realiza un reporte que incluye los siguientes ítems: - Toxicología de los fluidos de proceso. - Prácticas de seguridad en la planta. - Identificación de riesgos, incluyendo sus consecuencias y soluciones. Para llevar a cabo la realización de dicho reporte es necesario proceder de acuerdo a lo estipulado en la norma PDVSA “Guías de Seguridad en Diseño”. CAPÍTULO 6 ESTABLECIMIENTO DEL DISEÑO Y DISCUSIONES A continuación se muestra el establecimiento del diseño de la planta de desalación. A manera de tener una mejor visualización del mismo, se presentará de acuerdo a la metodología de investigación planteada en el capítulo anterior, comenzando por el alcance del proceso. 6.1. Alcance del proceso En la Tabla 6.1 se muestra el alcance del proceso agrupado en varios ítems que lo constituyen. Tabla 6.1. Alcance del proceso Planta desaladora L-1000 Producto: Crudo M16 desalado Cantidad de producto: 69,6 kg Contenido de sal del producto: 0,5 PTB Requerimientos de almacén: Un tanque de 122,7 l de capacidad Materia prima: 1,5 bbl/día de Crudo M16 6 %v de Agua de lavado 50 ppm Desemulsificante BPR – 23025 Calidad de la Materia Prima: Crudo: 60 PTB y 2% A&SB Agua: Bajo contenido de sales BPR – 23025: Sin especificaciones Requerimientos de almacén de materia Tres tanques, de 122,7; 37,4 y 0,7 l de prima capacidad para el crudo, el agua y el desemulsificante, respectivamente. Proceso a utilizar: Deshidratación electrostática a 300°F con inyección de química desemulsificante 65 Tabla 6.1. Alcance del proceso (...continuación) Planta desaladora L-1000 Requerimientos de disposición de agua: Se necesita un llenado del tanque de alimentación de agua fresca en la mitad del tiempo de operación de la planta. Requerimientos de servicios auxiliares: Se requiere de un sistema mud wash para el lavado del equipo y así evitar la deposición de sólidos en el fondo del mismo. Disposición de gasóleo y nitrógeno para los procedimientos de arranque y parada de la planta. Ubicación de la planta: Laboratorio de Intevep – PDVSA Horas de operación: 8 h por prueba realizada Requerimientos de Laboratorio: Se requieren disposición de laboratorios de analítica para comprobar las especificaciones del producto. Consideraciones especiales de seguridad: Se debe especificar las prácticas de seguridad para operar la planta. Se determinó la cantidad de producto de acuerdo a la carga establecida en el diseño del desalador. La especificación de contenido de sal del producto desalado se tomó basándose en las condiciones de salida más exigentes que generalmente están establecidas en los procesos de desalación descritos en la literatura; Aquino, 1999, en su reporte afirma que en refinerías complejas de conversión profunda, la especificación más exigente de contenido de sal en el crudo desalado es de 1 PTB, también, Manning y Thompson, 1991, establecen que usualmente las refinerías desalan hasta obtener un contenido de sales menor a 1 PTB en el producto. La capacidad de los tanques de alimentación y producto se basan en las cantidades de materia prima requeridas en el proceso. Más adelante, en los resultados del diseño del desalador, se discutirán los requerimientos de materia prima y sus especificaciones. La escogencia del proceso se fundamenta en que, como ya se discutió anteriormente, este es uno de los procesos más utilizados y eficientes para la desalación de crudo establecidos en la literatura. 66 A medida que el diseño de la planta de desalación avanzaba en el tiempo, se definieron los requerimientos de agua y servicios auxiliares que demandaba el proceso. La química desemulsificante, la ubicación, horas de operación, requerimientos de laboratorio y consideraciones especiales de seguridad constituyen las bases de diseño establecidas por la empresa PDVSA - Intevep al solicitar la realización del presente proyecto de investigación. 6.2. Diseño del Proceso Las etapas del proceso se establecieron de acuerdo a lo descrito en la literatura Marfisi y Salager, 2004, establecen que el proceso de desalación consiste en tres etapas: Adición de agua de dilución al crudo, mezclado del agua de dilución con el crudo y la deshidratación o tratamiento de la emulsión para separar el crudo y de la sal diluida en el agua. En el diseño del proceso en la presente investigación, además de estas etapas se agregaron también la etapa de inyección de química desemulsificante y la de calentamiento debido a que están incluidas en el proceso definido previamente en el alcance del proceso. Finalmente, el proceso se agrupó en cinco etapas que se reflejan en el diagrama que se presenta en la Fig. 6.1. ENTRADA CRUDO Etapa de inyección de agua fresca y química desemulsificante Etapa de Mezclado Etapa de Calentamiento Etapa de Separación (Deshidratación) Etapa de enfriamiento SALIDA CRUDO DESALADO Figura 6.1. Diagrama representativo de las etapas del proceso 67 En este punto ya se tiene la secuencia que va a seguir el proceso, la última etapa agregada consiste en el acondicionamiento del producto antes de ser enviado al tanque de recolección, debido a que éste viene de un calentamiento previo antes de entrar a la etapa de separación. También, queda establecida la etapa determinante del proceso, que es la etapa de separación, de allí que el diseño del equipo desalador sea el aspecto más importante del presente trabajo de investigación. 6.3. Diseño del desalador A continuación se agrupan los resultados del diseño del equipo desalador, comenzando con los requerimientos de diseño establecidos al inicio de la metodología de investigación. 6.3.1. Requerimientos de diseño En la Tabla 6.2 se muestran las propiedades del crudo a utilizar en el proceso de desalación. Tabla 6.2. Propiedades del crudo a utilizar Propiedades del Crudo “M16” Gravedad API 16 Concentración A&SB,%v/v 2 Concentración de sal, PTB 60 Viscosidad a dos temperaturas, cSt 461,8 (38 °C) 25,6 (99 °C) RVP a 38 °C, kPa 52,7 El crudo M16 es un crudo de 16 grados API proveniente del Oriente de Venezuela. Generalmente, las características de este crudo son típicas en algunas refinerías del país y del exterior, es por ello que se escoge dicho crudo como especificación de diseño. Es importante señalar que sus características y las etapas de separación y transformación aguas abajo de la desalación requieren que sus especificaciones de salida sean exigentes y por ende el proceso de desalación sea cada vez más eficiente. De esta forma, se considera la escogencia del tipo de carga más compleja un factor determinante en el diseño. 68 Las condiciones mecánicas y operacionales de los requerimientos de diseño son aspectos que serán discutidos más adelante en el diseño del equipo. 6.3.2. Propiedades de los fluidos de proceso En la Tabla 6.3 se pueden observar las propiedades de los fluidos obtenidas a partir de los cálculos que se describieron previamente en la metodología de diseño. Tabla 6.3. Propiedades de los fluidos de proceso T (°C) Pvapw (kPa) Pvapo (kPa) Pdes (kPa) ρw (kg/m3) ρo (kg/m3) µo (Pa.s) 149 461,7 992,4 1130,7 919,0 876,2 0,0065 La temperatura se estableció en 149 °C (300°F), debido a que este es el valor máximo más común que se reporta en la literatura para la temperatura de operación de desaladores. Por ejemplo, Chirinos et. al., 1989, establecen en su patente publicada que la desalación se realiza a elevadas temperaturas, preferiblemente en el rango de 100° - 150° C. También, Briceño et. al., 1990, expresan que el calentamiento en el proceso de desalación debe realizarse en un rango de 100° a 160° C. Por último, en una publicación más actual, Fetter et. al., 2005, afirman que el rango de temperatura de operación usualmente utilizada para aumentar la velocidad de asentamiento está entre los 95° y 150°C. En el caso de la presión, el valor obtenido a partir de los cálculos de la presión de vapor del crudo y el agua se encuentra en los rangos establecidos en la literatura. La tecnología de BakerHughes, 1999, recomienda que la presión de operación en los procesos de desalación varíe de 345 a 1724 kPa. Si bien es cierto que este rango es bastante amplio, también es importante considerar que la presión de diseño depende de las presiones de vapor del agua y el crudo, lo que a su vez depende de la temperatura. Entonces, si al aumentar la temperatura aumenta la presión de vapor de ambas sustancias, al seleccionar temperaturas altas de operación también se debe esperar una presión alta en el sistema. 6.3.3. Balance de masa en el desalador En la Tabla 6.4 se muestran los valores de flujos y concentraciones necesarios para el diseño del desalador, obtenidos luego de aplicar las ecuaciones presentadas en la metodología para el balance de masa en el equipo. 69 El flujo de alimentación se determinó de acuerdo a los principios establecidos previamente en la metodología de la investigación. A la temperatura de operación este flujo es equivalente a 1,5 bpd de crudo. Tabla 6.4. Balance de masa en el desalador Fo (kg/h) Wdil % v/v Fdil (kg/h) Cm % p/p Wcd % v/v dm (µm) 8,70 6,00 0,53 0,23 0,06 141,20 La cantidad de agua de dilución es un valor que se fija de acuerdo a lo que establecen las bibliografías consultadas. Swartz y Anderson, 1989, afirman que el rango de agua añadida debe estar entre 1 y 15 % en volumen. La tecnología de Baker Hughes, 1999, recomienda que para crudos pesados el porcentaje de agua añadida debe estar entre 6 y 9% en volumen. Por último, Manalastas et. al., 2001, señalan que debe añadirse agua al proceso hasta que el contenido de esta en el crudo esté en el rango entre 4 y 8 % en volumen. De acuerdo a lo expresado anteriormente, se estableció que el valor aproximado que mantiene concordancia con las tres afirmaciones descritas sería el de 6% en volumen de agua añadida. El flujo másico de agua de dilución correspondiente a dicho porcentaje tiene un valor de 0,53 kg/h, y la concentración de sal en el agua total que entra al equipo es de 0,23 % en peso, como se observa en la Tabla 6.4. El corte de agua en el crudo desalado dio como resultado un valor por debajo a lo establecido en la literatura. Chawla, 1987, establece como condiciones del crudo tratado un corte de agua de 0,1% en volumen y un contenido de sal igual a 5 PTB. También, Manning y Thompson, 1991, determinan mediante una serie de cálculos que con una especificación de 10 PTB en el crudo tratado puede alcanzarse un corte de agua de 0,1 % en volumen. A raíz de estas dos afirmaciones, se puede establecer que si se tienen especificaciones exigentes del contenido de sal en el crudo tratado se alcanzan valores de corte agua en el mismo, inferiores a los que generalmente se reportan en las publicaciones de procesos de desalación. Finalmente, el diámetro promedio de la gota calculado coincide con los estimados reportados en las publicaciones de desalación de crudo. Marfisi y Salager, 2004, establecen que generalmente las macro - emulsiones agua en crudo, el diámetro de gota varía de 0,1 a 100 µm, siendo el valor menor el que se relaciona con las emulsiones más estables. Chiesa et. al., 2005, en su publicación realizan pruebas experimentales de estabilidad de gotas, donde consideran que el 70 diámetro promedio de las gotas varía de 58 a 110 µm. Se puede observar que dichas afirmaciones frente al valor de 141,2 µm obtenido, los rangos son inferiores, sin embargo, como se habla de un estimado que depende del corte de agua en el crudo desalado, es de esperarse que el diámetro de la gota esté en los límites máximos o por encima de dichos rangos, debido a que como ya se dijo anteriormente, el proceso se basa en especificaciones exigentes para el crudo tratado. 6.3.4. Dimensiones del equipo En la Tabla 6.5 se muestran los resultados del dimensionamiento del equipo. Tabla 6.5. Dimensiones del desalador D (m) Leff (m) (tr)o (s) Vototal (l) Voif (l) hif (m) hesi (m) 0,128 0,448 1061 4,64 9,28 0,033 0,062 El diámetro y la longitud del equipo son el resultado de las ecuaciones planteadas en la metodología de la investigación, entre ellos se mantiene una relación de aproximadamente 3,5, valor que se supuso de acuerdo a lo que se establece en la bibliografía consultada. Martin, 1979, considera que relaciones entre 3 y 4 son convenientes para las dimensiones del equipo. Por otro lado, Robinson, 1983, afirma que las relaciones más convenientes de longitud y diámetro se encuentran alrededor de 3 a 3,5. De allí se supuso que el valor recomendado para dicha relación sería de 3,5. El tiempo de residencia (aproximadamente 18 min) coincide con lo que afirman Manalastas et. al., 2001, en la publicación de su patente, de que el tiempo debe estar entre 1 y 60 min, preferiblemente en el rango entre 1 y 15 min. El resto de las dimensiones presentadas la conforman el volumen total del equipo, el volumen de la fase de agua, la altura de dicha fase y la distancia que recorre la gota que fueron calculados a partir del diámetro, la longitud y el tiempo de residencia del crudo, como se explica en la metodología de la investigación. 6.3.5. Diseño eléctrico del equipo En la Tabla 6.6 se muestran los parámetros eléctricos del diseño del desalador calculados de acuerdo a lo establecido en la metodología de investigación. Las primeras cantidades que se observan constituyen la constante dieléctrica del crudo (εo) y del agua (εw), y la tensión interfacial agua – crudo (λw-c). Seguido a esto se tiene el valor de 71 campo eléctrico máximo (Ec), valor que como era de esperarse es suficientemente mayor al campo eléctrico calculado para que de esta forma la gota no alcance su condición de inestabilidad que se origina cuando se supera dicha condición crítica de campo eléctrico. Luego, se tiene la distancia entre los electrodos (Le), la cual se considera consistente con las dimensiones del equipo y determina el voltaje aplicado al desalador y a su vez el voltaje máximo. Como se observa en la Tabla 6.6, el campo eléctrico aplicado (Eo) presenta un valor de 22,3 kV/m, valor que se encuentra dentro de los rangos establecidos por la tecnología de Baker-Hughes, 1999, para equipos desaladores con corriente alterna, 15 kV a 45 kV, y también los que se establecen en la patente publicada por Manalastas et. al., 2001, 16 kV/m a 32 kV/m. El voltaje aplicado no se corresponde con los rangos observados en las bibliografías consultadas, 16 a 23 kV (Warren, 1990), debido a que este es un valor vinculado a la distancia entre los electrodos y por ende a las dimensiones del desalador. Tabla 6.6. Parámetros eléctricos del diseño del desalador εo 2,2 λw-c Ec Lee Eo V Vmax (mN/m) (kV/m) (m) (kV/m) (kV) (kV) 29,0 64,6 0,031 22,3 0,7 2,15 εw 45,0 6.3.6. Niveles de interfaz, internos, control y material del desalador A continuación se presentan los resultados obtenidos luego de aplicar el procedimiento descrito en la metodología para esta sección. - Niveles de interfaz En la Tabla 6.7 se muestran las longitudes que constituyen los niveles de interfaz agua - crudo dentro del desalador. Lo mostrado en la Tabla 6.7 se puede visualizar en el diagrama que se muestra en la Fig. 6.2, en la que se observan las distintas posiciones de los niveles de interfaz. Tabla 6.7. Niveles de interfaz NAI (m) NNI (m) NBI (m) 0,049 0,032 0,015 72 Figura 6.2. Diagrama representativo de la distribución de los niveles de interfaz - Distribuidor del desalador Las dimensiones obtenidas para el distribuidor del desalador se muestran en la Tabla 6.8. La forma del distribuidor se puede visualizar en los planos de dos dimensiones (2D) y de tres dimensiones (3D) del equipo ubicados en el Apéndice C. Tabla 6.8. Dimensiones del distribuidor Anran (mm) Seran (mm) Lran (mm) Nran Ldis (mm) 15,00 7,55 6,65 21 495 - Colector del desalador En la Tabla 6.9 se muestran las dimensiones obtenidas para el colector del desalador según la metodología descrita en el capítulo anterior. De igual manera la forma del mismo se puede visualizar en los planos del equipo presentados en el Apéndice C. Tabla 6.9. Dimensiones del colector Wran (mm) Sran (mm) Lran (mm) Nran Ldis (mm) 15,00 7,55 6,65 19 450 73 - Sistema mud-wash La Fig. 6.3, presenta una vista del sistema mud – wash del equipo. Se puede observar, como se describió en el capítulo anterior, que está constituido por un arreglo de tuberías en el fondo del desalador, de tal manera que se inyecte agua a presión y se genere una turbulencia en dicha zona de manera de remover los sedimentos básicos que allí se depositan. Figura 6.3. Vista 3D del sistema mud-wash (corte de la visualización del desalador en 3D. Ver Apéndice C) - Sistema de control del desalador A continuación se describe el sistema de control obtenido, el cual se verá reflejado en el diagrama de tuberías e instrumentación. Como primer subsistema se tiene el sistema controlador del nivel de interfaz, el cual cuenta con indicadores de nivel alto y bajo, con su respectivo controlador y un sistema de alarmas que se acciona cuando el nivel sobrepasa el NAI, ya que esto podría generar arcos eléctricos que desestabilizan el proceso. El segundo subsistema consiste en un controlador de presión que acciona las válvulas de la salida de agua y crudo desalado respectivamente de tal manera que se logre mantener la presión dentro del equipo. Finalmente, el último subsistema consta de un controlador de voltaje en la fuente de poder, por medio de un transmisor, se registra el voltaje en los electrodos y de esta manera se regula que el mismo se encuentre en los valores establecidos, también consta de un sistema de alarma que indica cuando el voltaje aplicado se encuentra por debajo del valor establecido en el diseño. - Material del recipiente En la metodología de la investigación se estableció la posibilidad de construir el equipo en un material plástico (no conductor de la electricidad) lo suficientemente resistente a las condiciones de operación y que permita la visibilidad del proceso. Se consideró el material plexiglass® para realizar este análisis, sin embargo, una vez establecidas las condiciones de operación del proceso, quedo reflejada la imposibilidad de establecer dicho polímero como material de construcción del 74 equipo. A pesar que con los espesores adecuados el plexiglass® puede soportar la presión de operación del desalador, de acuerdo a evaluaciones realizadas previamente por el equipo de confiabilidad de PDVSA – Intevep, la hoja de especificaciones del plexiglass® y sus variaciones presentada por la empresa Evonik industries, establece que la temperatura máxima de utilización permanente se encuentra en un rango entre 65 – 80 °C dependiendo del tipo de plexiglass®; temperatura por debajo de la temperatura de operación del equipo. Con esto último queda descartada la posibilidad de construir el equipo en un polímero resistente como el plexiglass®. Por ello, se decidió establecer como material de construcción el acero inoxidable, el cuál soporta altas presiones y temperaturas y fluidos corrosivos. Sin embargo quedó planteada la posibilidad de construir el equipo en acero inoxidable, pero con una variante en la estructura del desalador por la inclusión de un visor de vidrio (soporta altas presiones con el espesor adecuado y altas temperaturas) que permita la observación de la interfaz agua - crudo, lográndose así una mejor disposición para el estudio del proceso cuando la planta esté instalada. 6.4. Diagrama de flujo del proceso Éste se puede visualizar en la Fig. 6.4, se presenta en este punto de los resultados a manera de facilitar la comprensión de los mismos, debido a que los resultados posteriores hacen mención a dicho diagrama. 6.5. Balance de masa y diagrama de bloques del proceso Antes de presentar el balance de masa del proceso es necesario visualizar la temperatura y presión de cada corriente. Estos valores se encuentran reflejados en la Tabla 6.10. En la Tabla 6.10 se observa lo siguiente, en las corrientes 1, 4 y 7 correspondientes a la salida de los tanques de alimentación de crudo, agua y desemulsificante, respectivamente, la presión obtenida se corresponde a la presión de succión de las bombas; realizando iteraciones con los cálculos realizados para estos equipos, y considerando la altura de los tanques y el nivel de líquido en los mismos, se logró que estas presiones fuesen similares a manera de facilitar los cálculos posteriores. La temperatura en estos se corresponde a la temperatura promedio de la zona dónde se pretende ubicar la planta. Otro aspecto importante que se puede mencionar con respecto a la Tabla 6.10, es la variación de la temperatura hasta alcanzar la temperatura correspondiente a la operación del desalador, entre la corriente 3 y 4 se observa el primer aumento significativo de la temperatura, donde se aumenta la temperatura del fluido de alimentación desde 22°C hasta 82°C. 75 76 Posteriormente en la etapa de mezclado (corrientes 5 a 9), el intercambio de calor entre los fluidos genera una disminución en la temperatura del fluido principal hasta alcanzar 79° C. Finalmente, se hace pasar el fluido por un equipo de intercambio de calor para aumentar su temperatura hasta 149° C, temperatura de operación del equipo desalador. Por último, también se observa la caída de presión en la válvula de mezclado, correspondientes a las corrientes 9 y 10, la cual tiene un valor de 103,4 kPa equivalentes a 15 psi. Tabla 6.10. Temperatura y presión de cada corriente Corrientes Temperatura (°C) Presión (kPa) Corrientes Temperatura (°C) Presión (kPa) Corrientes Temperatura (°C) Presión (kPa) 1 2 3 4 5 6 7 22 22 82 22 22 79 22 104,2 1372,1 1303,1 104,3 1303,1 1303,1 104,2 8 9 10 11 12 13 14 22 79 79 149 149 149 30 1303,1 1303,1 1199,7 1130,7 1130,7 170,3 101,4 15 16 17 18 21 22 149 149 149 30 1130,7 1130,7 170,3 101,4 - Balance de masa Como se dijo en la metodología de la investigación, para el balance de masa se necesita conocer las densidades de cada componente para cada corriente a la respectiva temperatura, en la Tabla 6.11 se muestran los valores obtenidos para las densidades. Para el caso del crudo y el agua estos datos vienen de la aplicación de las correlaciones estimadas en el capítulo anterior. El crudo que se utiliza, como se específica en la Tabla 6.2, tiene una gravedad API igual a 16, lo que es equivalente a una gravedad específica de 0,9593; en el capítulo anterior, se normaliza la densidad del agua de manera tal que ésta a 60° F (15° C) sea igual a 1,0 g/cm3. Entonces, se puede decir, que la densidad del crudo a 15° C es igual a 959,3 kg/m3, valor que se encuentra cercano al que se presenta en la Tabla 6.11 para una temperatura igual a 22°C (corriente 1), 955,3 kg/m3, también se observa que se cumple la tendencia inversamente proporcional entre la densidad y la temperatura. En el caso del agua, se observa el mismo comportamiento al comparar una densidad de 1000 kg/m3 a 15° C, con 997,5 kg/m3 77 correspondientes a 22°C, son valores cercanos, y al igual que en el caso anterior, se mantiene la proporción inversa entre ambos parámetros. Tabla 6.11. Densidades de cada componente para cada corriente y temperatura Densidad (kg/m3) Corrientes / Componentes 1 2 3 4 Crudo Agua Sal BPR-23025 Mezcla Corrientes / Componentes 955,3 997,5 2160,0 0,0 968,8 955,3 997,5 2160,0 0,0 968,8 8 9 Crudo Agua Sal BPR-23025 Mezcla Corrientes / Componentes 0,0 0,0 0,0 976,6 976,6 920,2 972,7 2160,0 976,6 955,2 15 16 17 18 Crudo Agua Sal BPR-23025 0,0 918,2 2160,0 0,0 0,0 918,2 2160,0 0,0 0,0 918,2 2160,0 0,0 0,0 995,2 2160,0 0,0 Mezcla 919,3 919,3 919,3 996,3 917,8 0,0 970,4 997,5 2160,0 0,0 0,0 0,0 934,3 997,5 Densidad (kg/m3) 10 11 5 6 7 0,0 997,5 0,0 0,0 997,5 920,1 972,7 2160,0 0,0 955,2 0,0 0,0 0,0 976,6 976,6 12 920,2 876,2 876,2 972,7 918,2 918,2 2160,0 2160,0 2160,0 976,6 976,6 976,6 955,2 904,4 876,3 3 Densidad (kg/m ) 13 14 876,2 918,2 2160,0 976,6 876,3 950,3 995,2 2160,0 976,6 950,4 En la Tabla 6.12 se observa el peso molecular obtenido para cada componente del proceso a las condiciones del mismo. Tabla 6.12. Peso molecular para cada componente Componentes Peso Molecular Crudo 480,08 Agua 18,02 Sal 58,40 Desemulsificante 106,16 78 Finalmente, se tiene el flujo másico de cada componente para cada corriente que es el resultado final del balance de masa realizado a cada equipo del proceso. Todo esto se puede visualizar en la Tabla 6.13. En las Tablas 6.10, 6.11 y 6.13, las corrientes están expresadas en función del diagrama de flujo de procesos que puede visualizarse en la Fig. 6.4 presentada anteriormente. Parte del balance de masa se refleja de manera preliminar en el diagrama de bloques del proceso. En la Fig. 6.5 se observa el DBP obtenido luego de la definición de las etapas del proceso y el balance de masa realizado. Tabla 6.13. Flujo másico de cada componente para cada corriente Corrientes / Componentes Flujo Másico (g/h) 1 2 3 4 5 0,00 0,00 Crudo 8700,00 8700,00 8700,00 Agua 150,83 150,83 150,83 528,71 528,71 1,49 1,49 1,49 0,00 0,00 Sal 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 BPR-23025 Mezcla 8852,31 8852,31 8852,31 528,71 528,71 Corrientes / Componentes Flujo Másico (g/h) 8 Crudo Agua Sal BPR-23025 Mezcla Corrientes / Componentes Crudo Agua Sal BPR-23025 Mezcla 0,00 0,00 0,00 0,44 0,44 9 10 11 6 7 8700,00 679,54 1,49 0,00 9381,03 0,00 0,00 0,00 0,44 0,44 13 14 12 8700,00 8700,00 8700,00 8700,00 8700,00 8700,00 679,54 679,54 679,54 5,33 5,33 5,33 1,49 1,49 1,49 0,01 0,01 0,01 0,44 0,44 0,44 0,44 0,44 0,44 9381,46 9381,46 9381,46 8705,78 8705,78 8705,78 Flujo Másico (g/h) 15 16 17 18 0,00 674,21 1,48 0,00 675,68 0,00 674,21 1,48 0,00 675,68 0,00 674,21 1,48 0,00 675,68 0,00 674,21 1,48 0,00 675,68 6.6. Balance de energía del proceso En la metodología de la investigación se mencionó que para completar el balance de energía del proceso era necesario conocer el calor específico a presión constante de cada componente a la temperatura correspondiente de la corriente del proceso, en la tabla siguiente se muestran los calores específicos de cada componente respecto a la temperatura de la corriente. 79 Figura 6.5. Diagrama de bloques del proceso Tabla 6.14. Calor específico de cada componente a la temperatura de la corriente Corrientes / Calor Específico (J/kg°C) Componentes 1 2 Crudo Agua Sal BPR-23025 Mezcla Corrientes / 2470,8 4180,0 859,7 0,0 3008,8 2470,8 4180,0 859,7 0,0 3008,8 Componentes 8 9 Crudo Agua Sal BPR-23025 Mezcla Corrientes / Componentes 0,0 0,0 0,0 1762,5 1762,5 3478,0 4180,0 876,7 1891,1 3950,6 15 16 Crudo Agua Sal BPR-23025 Mezcla 0,0 4180,0 897,8 0,0 4177,8 0,0 4180,0 897,8 0,0 4177,8 3 4 5 3554,6 0,0 0,0 4180,0 4180,0 4180,0 877,8 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 3749,5 4180,0 4180,0 Calor Específico (J/kg°C) 10 11 12 3478,0 5177,4 5177,4 4180,0 4180,0 4180,0 876,7 897,8 897,8 1891,1 2051,4 2051,4 3950,6 4501,8 5160,6 Calor Específico (J/kg°C) 17 18 0,0 4180,0 897,8 0,0 4177,8 0,0 4180,0 862,1 0,0 4177,8 6 7 3478,0 4180,0 876,7 0,0 3950,8 0,0 0,0 0,0 1762,5 1762,5 13 14 5177,4 4180,0 897,8 2051,4 5160,6 2598,7 4180,0 862,1 1780,8 2623,9 80 Para visualizar el balance de energía se presentan los distintos equipos de la planta y sus principales características energéticas haciendo énfasis en la potencia requerida por cada equipo, como se muestra en la Tabla 6.15 que se muestra a continuación. Como se observa en la Tabla 6.15 sólo se muestran las bombas y los intercambiadores de calor, debido a que éstos son los que presentan requerimientos energéticos dentro del proceso. Para las bombas se especifican la temperatura de operación, la presión de descarga y la potencia requerida y para los intercambiadores de calor se especifican diferencia de temperatura, presión de salida, caída de presión y potencia requerida. Tabla 6.15. Principales equipos de la planta y sus características Equipo Características P-1001 22 °C 1372,1 kPa 932 W 22 °C 1303,1 kPa 932 W 22° - 82° C 1303,1 kPa 69 kPa 501 W 79° - 149° C 1130,7 kPa 69 kPa 776 W 149° - 30°C 101,4 kPa 69 kPa 1485 W 149° - 30°C 101,4 kPa 69 kPa 93 W P -1002 E-1001 E-1002 E-1003 E – 1004 También, para completar el balance de energía es necesario calcular el calor transferido en el punto donde se mezcla el agua con el crudo, el cual se presenta en la Tabla 6.16. 81 Tabla 6.16. Calor transferido en el punto de mezcla agua-carga Corrientes Involucradas Calor transferido (W) Corriente 4 + Corriente7 = Corriente 8 35,6 El punto donde se mezcla el desemulsificante con la carga no se tomó en cuenta para el balance de energía debido a que el flujo másico del químico es tan pequeño que la transferencia de calor como consecuencia de la mezcla es despreciable. 6.7. Diseño de los otros equipos del proceso A continuación se presentan los resultados del diseño de los otros equipos del proceso: Intercambiadores de calor, bombas, tanques, válvula de mezclado, entre otros. 6.7.1. Intercambiadores de calor En las Tablas 6.17, 6.18, 6.19 y 6.20, se muestran las especificaciones obtenidas para cada intercambiador de calor de la planta desaladora. Tabla 6.17. Especificaciones del intercambiador de calor E-1001 E -1001 Cinta calentadora flexible Fluido 1 Fluido 2 Emulsión agua en crudo Resistencia Eléctrica Flujo másico (kg/h) 8,9 NA Gravedad Específica 0,952 NA 1,7 NA Calor Específico (J/kg°C) 3382 NA Potencia Nominal (W/m2) NA 9750 Tipo de Intercambiador Fluido Circulante Viscosidad (cP) Temperatura (°C) Presión de Operación (kPa) Caída de Presión Permisible (kPa) Calor Transferido (W) Área de transferencia (m2) Longitud de la tubería (m) Entrada Salida 22 82 1372,1 68,9 Entrada NA Salida NA NA NA 501 0,0514 2,6 82 En la Tabla 6.17 se observa que la longitud de la tubería es de 2,6 m, un valor alto para esta dimensión que debe estar en función del espacio disponible que se tiene en la planta. Sin embargo este tipo de intercambiador tiene la flexibilidad de permitir colocar la tubería en cualquier posición, como por ejemplo, colocar la tubería en forma de espiral o serpentín, de manera que ocupe el menor espacio posible de la planta. En el caso que se presenta en la Tabla 6.18, la longitud de la tubería tiene un valor de 4,0 m y de igual manera que en el caso del primer intercambiador (E-1001) se considera la flexibilidad de las cintas para la distribución de los equipos en la planta. Para ambos intercambiadores de tipo cinta calentadora flexible se consideró el setenta y cinco por ciento (75%) de la potencia nominal máxima especificada por el proveedor. En el Apéndice B, se presenta una breve descripción de las mencionadas cintas de calentamiento flexibles. Tabla 6.18. Especificaciones del intercambiador de calor E-1002 E -1002 Cinta calentadora flexible Fluido 1 Emulsión agua en crudo Fluido 2 Resistencia Eléctrica Flujo másico (kg/h) Gravedad Específica Viscosidad (cP) 9,4 0,930 0,15 NA NA Calor Específico (J/kg°C) Potencia Nominal (W/m2) 4230 NA Tipo de Intercambiador Fluido Circulante Temperatura (°C) Presión de Operación (kPa) Caída de Presión Permisible (kPa) Calor Transferido (W) Área de transferencia (m2) Longitud de la tubería (m) Entrada Salida 79 149 1199,7 68,9 NA 9750 Entrada Salida NA NA NA NA 776 0,0796 4,0 En el caso que se observa en la Tabla 6.19 se debe considerar el estudio de la versatilidad de los intercambiadores de calor, ya que la longitud de tubería es de 5,8 m. Para los efectos de la presente investigación, se supuso que poseen la misma flexibilidad que las cintas de calentamiento. 83 Tabla 6.19. Especificaciones del intercambiador de calor E-1003 Tipo de Intercambiador Fluido Circulante Flujo másico (kg/h) Gravedad Específica Viscosidad (cP) E -1003 Doble Tubo Fluido 1 Crudo desalado 8,7 0,913 0,33 Fluido 2 Agua de enfriamiento 96,4 0,998 1,0 Calor Específico (J/kg°C) 3892 4180 Coeficiente Global de Transferencia de calor (W/m2°C) NA 250 Temperatura (°C) Entrada 149 Salida 30 170,3 69 Presión de Operación (kPa) Caída de Presión Permisible (kPa) Calor Transferido (W) Área de transferencia (m2) Longitud de la tubería (m) Entrada Salida 15 25 101,4 NA 1120 0,087 4,4 En la Tabla 6.20 se observa que a diferencia del intercambiador anterior (Tabla 6.19), la longitud de la tubería en este caso tiene un valor de 0,37 m, dimensión que no requiere de ninguna consideración especial para la distribución de los equipos de la planta. Tabla 6.20. Especificaciones del intercambiador de calor E-1004 Tipo de Intercambiador Fluido Circulante Flujo másico (kg/h) Gravedad Específica Viscosidad (cP) Calor Específico (J/kg°C) Coeficiente Global de Transferencia de calor (W/m2°C) Temperatura (°C) Presión de Operación (kPa) E -1004 Doble Tubo Fluido 1 Crudo desalado 0,68 0,958 1,0 4180 NA Entrada 149 250 Salida 30 170,3 Fluido 2 Agua de enfriamiento 1,5 0,998 1,0 4180 Entrada Salida 15 25 101,4 84 Tabla 6.20. Especificaciones del intercambiador de calor E-1004 (...continuación) Caída de Presión Permisible (kPa) Calor Transferido (W) Área de transferencia (m2) Longitud de la tubería (m) E -1004 Fluido 1 69 Fluido 2 NA 93 0,007 0,37 6.7.2. Bombas A continuación se presentan las Tablas 6.21, 6.22, 6.23 y 6.24, las cuales contienen los resultados de los cálculos realizados, que constituyen las especificaciones de las bombas que conforman la planta de desalación. Tabla 6.21. Especificaciones de la bomba P-1001 P - 1001 Tipo de Bomba Caudal (gal/h) Caudal máximo (gal/h) Temperatura (°C) Densidad (kg/m3) Presión de succión nominal (kPa) Presión de succión máxima (kPa) Cabezal neto de succión positiva disponible (m) Presión de descarga nominal (kPa) Presión de descarga máxima (kPa) Aumento de presión entre la succión y descarga (kPa) Cabezal (m) Potencia (W) Manivela Polar 2,5 3,3 22 968,8 104,1 110,3 7,9 1372,1 1625,6 1267,9 133,5 932 Tabla 6.22. Especificaciones de la bomba P-1002 P - 1002 Tipo de Bomba Caudal (gal/h) Caudal máximo (gal/h) Temperatura (°C) Densidad (kg/m3) Presión de succión nominal (kPa) Presión de succión máxima (kPa) Manivela Polar 0,14 0,19 22 997,5 104,3 109,3 85 Tabla 6.22. Especificaciones de la bomba P-1002 (...continuación) P - 1002 Cabezal neto de succión positiva disponible (m) Presión de descarga nominal (kPa) Presión de descarga máxima (kPa) Aumento de presión entre la succión y descarga (kPa) Cabezal (m) Potencia (W) 9,2 1303,1 1542,9 1199,0 122,6 932 Tabla 6.23. Especificaciones de la bomba P-1003 P - 1003 Tipo de Bomba Caudal (gal/h) Caudal máximo (gal/h) Temperatura (°C) Densidad (kg/m3) Presión de succión nominal (kPa) Presión de succión máxima (kPa) Cabezal neto de succión positiva disponible (m) Presión de descarga nominal (kPa) Presión de descarga máxima (kPa) Aumento de presión entre la succión y descarga (kPa) Cabezal (m) Flujo de aire (gph) Presión del aire (kPa) Neumática 1,2x10-04 1,6x10-04 22 976,6 104,2 104,4 9,8 1303,1 1542,9 1199,0 125,2 2,3 241,3 Tabla 6.24. Especificaciones de la bomba P-1004 P - 1004 Tipo de Bomba Caudal (gal/h) Caudal máximo (gal/h) Temperatura (°C) Densidad (kg/m3) Presión de succión nominal (kPa) Flujo de aire (gal/h) Presión del aire (kPa) Neumática 0,19 0,26 149 919,3 101,4 2,3 241,3 Como en todos los casos las bombas están sobredimensionadas no se especificó la eficiencia de las mismas. El caudal se presentó en unidades de galones por hora (gal/h) debido a que la misma 86 es la unidad que manejan los proveedores de bombas a la escala que se requiere. Por último, la bomba P-1004 no contiene las especificaciones completas debido a que esta forma parte del sistema mud-wash, el cual sólo se diseño conceptualmente como se explicó en la metodología de investigación. Sin embargo, queda establecido que es una bomba del tipo neumático la que se va utilizar para este sistema. En el Apéndice B puede visualizarse una breve descripción de los tipos de bombas que se especifican en las Tablas 6.21, 6.22, 6.23 y 6.24. 6.7.3. Tanques A continuación se presentan las Tablas 6.25, 6.26, 6.27 y 6.28, donde se encuentran reflejadas las especificaciones de los tanques que constituyen la planta de desalación. Tabla 6.25. Especificaciones del tanque T-1001 T-1001 Tanque agitado 22 101,4 0,1205 0,0904 0,83 0,43 Tipo de Tanque Temperatura (°C) Presión (kPa) Volumen total (m3) Volumen de líquido (m3) Altura (m) Diámetro (m) Tabla 6.26. Especificaciones del tanque T-1002 T-1002 Tipo de Tanque Temperatura (°C) Presión (kPa) Volumen total (m3) Volumen de líquido (m3) Altura (m) Diámetro (m) Recipiente contenedor 22 101,4 0,0077 0,0058 0,34 0,17 En la Tabla 6.27 se utilizó litros (l) como la unidad para expresar el volumen, debido a la proporción de las dimensiones que posee dicho equipo. La diferencia que hay entre el volumen total y el volumen de líquido en los tanques consiste en que por motivos de la seguridad dentro de la planta los tanques deben estar llenos hasta el setenta 87 y cinco por ciento (75%) de su capacidad, es decir, el volumen de líquido representa el 75% del recipiente. En el caso del T-1003 se supuso el volumen mínimo establecido en la metodología de investigación, debido a que el dimensionamiento del mismo de acuerdo a el flujo de química desemulsificante (fluido que contiene dicho tanque), sería un equipo de dimensiones muy pequeñas, lo que complicaría la visibilidad y el manejo del equipo dentro de la planta. Tabla 6.27. Especificaciones del tanque T-1003 T-1003 Recipiente contenedor 22 101,4 0,66 0,50 0,15 0,08 Tipo de Tanque Temperatura (°C) Presión (kPa) Volumen total (l) Volumen de líquido (l) Altura (m) Diámetro (m) Tabla 6.28. Especificaciones del tanque T-1004 T-1001 Tipo de Tanque Temperatura (°C) Presión (kPa) Volumen total (m3) Volumen de líquido (m3) Altura (m) Diámetro (m) Tanque agitado 30 101,4 0,1205 0,0904 0,83 0,43 6.7.4. Válvula de mezclado En la Tabla 6.29, se muestran las especificaciones de la válvula de mezclado que opera en la planta de desalación. Tabla 6.29. Especificaciones de la válvula de mezclado PDCV-1001 PDCV-1001 Válvula de globo Tipo de Válvula 9,7 kg/h Flujo (kg/h) 79 Temperatura (°C) 103,4 Caída de Presión (kPa) 88 La caída de presión en la válvula de mezclado se estableció de acuerdo a lo establecido para procesos de desalación en la literatura. Abdel-Aal y Aggour, 2003, afirman que un alta caída de presión en la válvula tiene como resultado la formación de una emulsión más estable y un mejor lavado. Sin embargo, si la presión es muy alta, la emulsión se hace muy difícil de romper. La caída de presión óptima está entre 50 y 150 kPa. Considerando todo esto, se buscó el compromiso entre un diferencial de presión alto, que no excediera dicho rango, por ello se escogió 103,4 kPa, como se muestra en la Tabla 6.29, valor que se encuentra en el rango establecido como el óptimo diferencial de presión. 6.7.5. Otros equipos La Tabla 6.30 contiene las especificaciones de los otros equipos del proceso que no requieren de un diseño específico como el filtro y la fuente de poder. Tabla 6.30. Especificaciones de otros equipos del proceso Otros equipos Filtro F – 1001 Tipo de filtro Fuente de Poder FP-1001 Tipo de corriente Voltaje (V) Voltaje Máximo (V) Filtro de arena Corriente Alterna (AC) 700 V 2000 V 6.8. Lista de equipos En la Tabla 6.31 se muestra la lista de equipos que contiene los ítems descritos en la metodología de investigación para cada uno de ellos. Tabla 6.31. Lista de equipos de la planta D-1001 Lista de Equipos Desalador Tipo de Equipo Material de Construcción Temperatura Máxima Presión de Operación Temperatura de Operación Aislamiento Condiciones Especiales Desalador Electrostático Acero Inoxidable 154° C 1130,7 kPa 149 ° C Si Aislamiento eléctrico 89 Tabla 6.31. Lista de equipos de la planta (...continuación) E-1001 E – 1002 E-1003 E-1004 P-1001 P-1002 Lista de Equipos Intercambiadores de Calor Cinta de Calentamiento Flexible Tipo de Equipo Fibra de vidrio Material de Construcción 100 °C Temperatura Máxima 1372,1 kPa Presión de Operación 22° - 82° C Temperatura de Operación Si Aislamiento NA Condiciones Especiales Cinta de Calentamiento Flexible Tipo de Equipo Fibra de vidrio Material de Construcción 100 °C Temperatura Máxima 1199,7 kPa Presión de Operación 79° - 149° C Temperatura de Operación Si Aislamiento NA Condiciones Especiales Intercambiador doble tubo Tipo de Equipo Acero Inoxidable Material de Construcción 154° C Temperatura Máxima 170,3 kPa Presión de Operación 149° - 30° C Temperatura de Operación Si Aislamiento NA Condiciones Especiales Intercambiador doble tubo Tipo de Equipo Acero Inoxidable Material de Construcción 154° C Temperatura Máxima 170,3 kPa Presión de Operación 149° - 30° C Temperatura de Operación Si Aislamiento NA Condiciones Especiales Bombas Bomba Manivela Polar Tipo de Equipo Acero Inoxidable Material de Construcción 27° C Temperatura Máxima 1372,1 kPa Presión de Operación 22° C Temperatura de Operación No Aislamiento NA Condiciones Especiales Bomba Manivela Polar Tipo de Equipo Acero Inoxidable Material de Construcción 90 P-1002 P-1003 P-1004 T-1001 T-1002 T-1003 Tabla 6.31. Lista de equipos de la planta (...continuación) Lista de Equipos Bombas 27° C Temperatura Máxima 1303,1 kPa Presión de Operación 22° C Temperatura de Operación No Aislamiento NA Condiciones Especiales Bomba Neumática Tipo de Equipo Acero Inoxidable Material de Construcción 27° C Temperatura Máxima 1303,1 kPa Presión de Operación 22° C Temperatura de Operación No Aislamiento Requiere aire Condiciones Especiales Bomba Neumática Tipo de Equipo Acero Inoxidable Material de Construcción 154° C Temperatura Máxima 101,4 kPa (succión) Presión de Operación 149° C Temperatura de Operación No Aislamiento Utilizado en Sistema Mud-Wash Condiciones Especiales Tanques Tanque agitado Tipo de Equipo Acero inoxidable Material de Construcción 27° C Temperatura Máxima 101,4 kPa Presión de Operación 22° C Temperatura de Operación No Aislamiento NA Condiciones Especiales Recipiente contenedor Tipo de Equipo Acero inoxidable Material de Construcción 27° C Temperatura Máxima 101,4 kPa Presión de Operación 22° C Temperatura de Operación No Aislamiento NA Condiciones Especiales Recipiente contenedor Tipo de Equipo Acero inoxidable Material de Construcción 27° C Temperatura Máxima 101,4 kPa Presión de Operación 91 Tabla 6.31. Lista de equipos de la planta (...continuación) Lista de Equipos Tanques 22° C T-1003 Temperatura de Operación No Aislamiento NA Condiciones Especiales Tanque agitado T-1004 Tipo de Equipo Acero inoxidable Material de Construcción 35° C Temperatura Máxima 101,4 kPa Presión de Operación 30° C Temperatura de Operación No Aislamiento NA Condiciones Especiales Válvula de Mezclado Válvula globo PDCV-1001 Tipo de Equipo Acero inoxidable Material de Construcción 154° C Temperatura Máxima 1303,1 – 1199,7 kPa Presión de Operación 149° C Temperatura de Operación Si Aislamiento NA Condiciones Especiales Los equipos faltantes no se agruparon en la lista de equipos debido a que las especificaciones de éstos fueron mostradas previamente en la Tabla 6.30. Se consideró acero inoxidable para todos los equipos ya que los fluidos que maneja la planta de desalación son todos corrosivos y requieren de un material resistente tanto a la corrosión como a la temperatura. 6.9. Distribución de equipos en planta En la Fig. 6.6 se observa la distribución de equipos en planta, el dibujo está a escala y representa las medidas establecidas por la empresa para la locación de la planta desaladora. 6.10. Diagrama de Tubería e Instrumentación El diagrama de tubería e instrumentación se puede observar en la Fig. 6.7 que se muestra a continuación. En él se muestran las filosofías de control establecidas para los equipos de la planta en la metodología de investigación. En el Apéndice C, se observa la lista de válvulas de forma organizada, definiendo las características de cada una, de acuerdo al tipo de válvula. 94 En la Fig. 6.7 se observa la filosofía de control de cada equipo, la cual, se puede describir de la siguiente manera: - Para los tanques se observa un sistema de alarmas para los niveles alto y bajo en el mismo. También, se tiene un sistema indicador de nivel con su respectivo controlador de flujo aguas abajo de la bomba correspondiente. - Para las bombas se tiene un sistema transmisor e indicador de flujo, con su respectiva válvula de control. También se tiene un sistema de control y de alarma para la potencia del motor de la bomba. - Para los intercambiadores de tipo de cinta de calentamiento se tiene un sistema transmisor e indicador del diferencial de temperatura con su respectivo controlador que envía una señal eléctrica a las cintas calentadoras. - Para la válvula de mezclado, se tiene un sistema transmisor e indicador del diferencial de presión con su respectivo controlador que actúa sobre dicha válvula. - Para los intercambiadores doble tubo, se tiene un sistema indicador y transmisor del diferencial de temperatura con su respectiva válvula de control en el fluido de enfriamiento. - Por último, para el desalador se tiene un sistema tal y como se explicó en el apartado 6.3.6, en la sección del sistema de control del desalador, del presente capítulo. 6.11. Procedimiento de Arranque y Parada A continuación se presenta el procedimiento de arranque y parada establecido en la metodología del proceso. Este se basa en la información reflejada en el diagrama de tubería e instrumentación del proceso, todos los códigos de equipos e instrumentos que se mencionan en el procedimiento son referencias de dicho diagrama. Es necesario señalar que este procedimiento es una versión preliminar. Es decir, es una corrida en frío del proceso, sin tomar en cuenta las modificaciones que pueda sufrir el mismo luego de su construcción e instauración. Este procedimiento se divide en: pre-arranque, arranque, parada normal y paradas de emergencia. - Pre-arranque Las actividades que se deben realizar en el pre – arranque son las siguientes: 1. Suministrar aire a los instrumentos. 2. Purgar las trampas de líquido y polvo del aire de instrumentación 95 3. Verificar la lubricación y engrase de las bombas de alimentación, agua y desemulsificante. 4. Realizar el mantenimiento del filtro de arena, F-1001, ubicado en la línea de fondo del desalador, D-1001. 5. Llenar el tanque T-1002 con agua limpia de la red de agua local. 6. Llenar el tanque T-1003 con el desemulsificante. 7. Encender las cintas de calentamiento que constituyen los intercambiadores E-1001 y E1002 y ajustar la temperatura en los controladores TIC-1001 y TIC-1002 a 82° y 149° C respectivamente. 8. Establecer la alineación para dar inicio al reciclo del agua de enfriamiento que alimenta los intercambiadores de calor E-1003 y E-1004 de la siguiente manera: Válvulas abiertas: VC-1004, VC-1005, VC-1021 y VC-1022 Válvula cerrada: VC-1022 9. Encender la bomba P-1002 al máximo de flujo hasta obtener la cantidad de flujo necesaria para mantener el reciclo del agua de enfriamiento, luego apagar la bomba nuevamente. 10. Ajustar la temperatura de los intercambiadores E-1003 y E-1004 en los controladores TIC-1003 y TIC-1004 a 30° C en ambos. 11. Dar inicio a la preparación de la carga en el tanque T-1001. Asegurarse de cumplir todas las normas de seguridad durante el vaciado de los contenedores al tanque. En este punto, la planta ha culminado su pre – arranque y está lista para iniciar las actividades de arranque, las cuales se describen en la sección siguiente. - Arranque La secuencia de arranque de la planta es la siguiente: 1. Establecimiento del nivel de agua en el desalador 2. Bombeo de carga a la planta / llenado del desalador 3. Ajuste de presión de operación. 4. Ajuste de temperatura de operación 5. Ajuste del voltaje de campo eléctrico. 6. Inyección de agua de lavado 7. Inyección de química desemulsificante 8. Ajuste del nivel de la interfase. 9. Ajuste del diferencial de presión en la válvula de mezcla. 96 El procedimiento de arranque de la planta se específica a continuación: 1. Asegurarse que el desalador esté vacío, hacer un barrido con nitrógeno y calibrar el cero del span del controlador de nivel. 2. Alinear agua hacia los separadores abriendo las válvulas VC-1006, VC-1007, VC-1009, VC-1010 y VC-1011 para inyectar dicho fluido al desalador D-1001. 3. Arrancar la bomba P-1002 al máximo de flujo establecido. 4. Cuando el nivel del agua alcance el nivel superior, orificio #3 ubicado en el lado derecho del desalador D-1001, calibrar el 100% del span del controlador de nivel. 5. Ajustar el nivel del agua en el nivel intermedio (orifico #2) equivalente a un punto de ajuste de nivel óptimo en el nivel del controlador LIC-1004. 6. Apagar la bomba de agua, cerrar el venteo del desalador e iniciar el llenado del desalador para la operación. 7. Para la operación realizar la siguiente alineación: Válvulas abiertas: VC-1002, VC-1003, VC-1007, VC-1009, VC-1010, VC-1011, VC1012, VC-1013, VC-1017, VC-1018 y VC-1020 Válvulas Cerradas: VC-1004, VC-1005, VC-1006, VC-1008, VC-1014, VC-1015, VC1019, VC-1023. 8. Iniciar el bombeo del crudo por medio de la bomba P-1001 con el objeto de realizar el llenado rápido del desalador. 9. Al llenar el separador D-1001, ajustar la presión de operación en el controlador PIC-1001 al valor indicado en el plan experimental. 10. Ventear los gases y vapores acumulados en el desalador D-1001 por medio de la válvula PSV-1006. 11. Ajustar el flujo de crudo a 154,3 cm3/min en el controlador FIC-1002. 12. Poner en funcionamiento el sistema de drenaje del desalador abriendo las válvulas VC1023 y VC-1024. 13. Fijar la temperatura de operación de los intercambiadores E-1001, E-1002, E-1003 y E1004 en los controladores TIC-1001, TIC-1002, TIC-1003 y TIC-1004 respectivamente. 14. Aplicar el voltaje máximo de diseño (700 V) a los electrodos del desalador mediante el panel eléctrico de la planta. 15. Iniciar el bombeo de agua de lavado poniendo en servicio la bomba P-1002. Para ello seguir la siguiente alineación establecida en el punto 2 de este procedimiento. 97 16. Ajustar el flujo de agua al valor indicado en el plan experimental (0,15 cm3/min). 17. Alinear el sistema de inyección de química desemulsificante. Para ello abrir la válvula VC-1008. 18. Arrancar la bomba P-1003 y ajustar el flujo de desemulsificante al valor indicado en el plan experimental (7,4 mm3/min). 19. Verificar manualmente el nivel de agua en la interfase y su concordancia con el nivel especificado en el controlador LIC-1004. 20. Ajustar el diferencial de presión en la válvula de mezclado por medio del controlador PDC-1001. 21. Mantener el producto desalado hacia el tanque de alimentación T-1001, hasta alcanzar las condiciones de operación. 22. Cuando se alcancen las condiciones de operación se debe alinear el producto desalado al tanque de recolección T-1003 abriendo la válvula VC-1019 y cerrando las válvulas VC1002 y VC1020. A partir de este punto la planta se encuentra en operación y se establece la hora cero de operación. Encendido del mud-wash del desalador El desalador posee un sistema de lavado durante la operación para evitar la acumulación de sólidos en el fondo del equipo, para activarlo se debe realizar el siguiente procedimiento: • Abrir las válvulas VC-1025, VC-1026, VC-1027, VC-1028, VC-1029 y VC-1030. • Poner en funcionamiento la bomba P-1004. • Ajustar el flujo de agua con el controlador FIC-1004. • Dejar encendido al menos por una hora y luego apagar realizando el procedimiento inverso. - Parada Normal Como ya se mencionó en la metodología, este proceso comienza cuando ha finalizado la carga en el tanque de alimentación T-1001. La parada se realiza mediante una secuencia de pasos inversos al proceso de arranque, la cual se muestra a continuación: 1. Abrir completamente la válvula PDCV-1001 (colocar el ajuste de los controladores de presión diferencial en cero). 98 2. Apagar la bomba de desemulsificante P-1003 y proceder al bloqueo de succión y descarga. 3. Apagar la bomba de agua P-1002 y proceder al bloqueo de la succión y descarga. 4. Bajar el voltaje a cero y desenergizar los electrodos. 5. Apagar las cintas de calentamiento. 6. Apagar la bomba de alimentación de crudo P-1001 y proceder al bloqueo de la succión y descarga. 7. Si la planta va a continuar en servicio posteriormente, bloquear el desalador para mantener la presión, sino proceder al vaciado del mismo de la siguiente manera: Realizar un barrido inyectando nitrógeno de baja presión hacia el tanque T-1001. La alineación de válvulas es la siguiente: Válvulas abiertas: VC-1002, VC-1003, VC-1007, VC-1009, VC-1010, VC-1011, VC-1012, VC-1013, VC-1016, VC-1017, VC-1018 y VC-1020. Válvulas cerradas: VC-1014, VC-1015, VC-1019 y VC-1023. 8. Una vez vaciados los separadores, cargar gasoleo para lavado en el T-1001 y mantener en reciclo a alto flujo por 4 h utilizando la bomba P-1001. Para esta operación se debe presurizar la planta y tener en servicio las cintas de calentamiento (E-1001 y E-1003) 9. Para la operación de lavado mantener 150 psig (932,9 kPa) en los separadores y ajustar la temperatura a 66° y 99° C en los intercambiadores E-1001 y E-1002 respectivamente. 10. Una vez transcurridas las 4 h de lavado, vaciar el tanque T-1001, y llenarlo de nuevo con una carga de gasoleo limpio. 11. Mantener en reciclo por 6 h. Al final de este período recoger el gasoleo, apagar las cintas de calentamiento y vaciar el desalador. 12. Apagar el resto de los equipos y realizar mantenimiento del área de trabajo. - Paradas de Emergencia El personal de la planta deberá estar capacitado para reconocer una situación de emergencia y conocer lo que se debe hacer en tal caso. A continuación se describen algunas situaciones de emergencia que se podrían presentar al operar la planta. Falla de Energía Eléctrica Esto traerá como consecuencia la parada de todas las bombas, las cintas de calentamiento y la fuente de poder del desalador. En caso de falla eléctrica seguir los siguientes pasos: 99 1. Bloquear el desalador para evitar caídas bruscas de presión. 2. Colocar los interruptores de los equipos eléctricos en posición apagado. 3. Al restablecerse la energía, colocar los equipos en servicio. Falla de Agua de Enfriamiento Esta falla afecta directamente la temperatura del producto desalado a la salida del intercambiador E-1003 y la temperatura del agua de drenaje del desalador a la salida del intercambiador E-1004. En este caso, realizar el procedimiento establecido en los ítems 8, 9 y 10 del pre arranque de la planta. Si la recirculación de agua no se restablece, proceder a realizar una parada normal de planta. Falla de Aire de Instrumentos En caso de que evidentemente la presión de aire en los instrumentos no pueda ser restablecida, proceder a realizar una parada de planta de acuerdo al procedimiento establecido por falla de energía eléctrica. 6.12. Filosofía de Seguridad A continuación se observa la filosofía de seguridad establecida para la planta de desalación diseñada. La filosofía de seguridad está compuesta de una revisión de la toxicología de los fluidos del proceso, la cual se puede observar en el Apéndice D de la presente investigación. Seguido de las prácticas de seguridad y el procedimiento en caso de fallas. Prácticas de Seguridad A continuación se listan algunas precauciones y prácticas de seguridad que ayudarán a mantener una operación segura: 1. Todo el personal involucrado en la operación de la planta deberá conocer la localización dentro del laboratorio y estar entrenado en el uso de extinguidores de fuego, hidratantes, máscaras de gas, equipos de primeros auxilios, etc. 2. Cuando algún equipo o estructura de acero sea envuelta por las llamas, aplicar agua al sistema del control de incendios con el fin de mantener el equipo a bajas temperaturas y evitar daños mayores. 3. Cualquier derrame de hidrocarburos debe ser limpiado inmediatamente. 100 4. Las bombonas de gas deben ser almacenadas en un lugar seguro y amarradas a un soporte rígido. 5. El operador u operadores de la planta deben disponer de guantes de seguridad y guantes de alta temperatura, lentes de seguridad, máscara de gases tóxicos y demás equipos de seguridad establecidos para la permanencia dentro del laboratorio. Además, deben disponer de equipos especiales (guantes, botas, etc.) que sean aislantes de corriente eléctrica debido a las condiciones del equipo principal de la planta. 6. En caso de fuego o explosión el operador u operadores de la planta deben efectuar una parada total de la planta de manera que todos los equipos queden fuera de servicio y luego tratar el fuego y/o la explosión de acuerdo a las prácticas de seguridad establecidas. Identificación de fallas, incluyendo sus consecuencias y soluciones A continuación se presentan las posibles fallas, mencionando las causas que los originan y las acciones inmediatas que deben tomarse para corregir las situaciones planteadas. - Falla: Alto nivel de agua en el desalador. - Causas: Alto contenido de agua en la carga. Alto flujo de agua de lavado. Taponamiento de válvula en la línea de drenaje de agua. Descalibración del control del nivel de la interfase. - Acciones: Verifique la calidad de la carga. Ajuste flujo de agua Mantenimiento del sistema de drenaje. Calibrar el controlador. - Falla: Presencia de arcos eléctricos en el desalador. - Causas: Alto nivel de agua en el desalador Inyección excesiva de agua. - Acciones: Ver anterior Ajuste flujo de agua - Falla: No se observa voltaje ni corriente en los indicadores - Causa: Vaporización dentro del desalador - Acciones: Reducir temperatura del crudo o incrementar la presión. 101 6.13. Establecimiento del diseño A manera de resumen, el diseño del proceso de desalación se basa principalmente en el diseño del equipo desalador, éste establece las condiciones del proceso que se utilizan para determinar los parámetros correspondientes a las otras etapas del procedimiento de diseño. En el dimensionamiento del desalador los parámetros más importantes son: la temperatura (149°C), la presión (1130,7 kPa), el flujo de alimentación (1,5 bbl/día), el contenido de sal en la entrada y la salida del equipo (60 y 0,5 PTB), el corte de agua de lavado a utilizar (6%v/v), el diámetro (0,128m), la longitud efectiva (0,448m), el tiempo de residencia (18 min), la altura de la fase de agua (0,033m), el campo eléctrico crítico (64,6 kV/m), el campo eléctrico aplicado (22,3 kV/m), el voltaje aplicado (0,7 kV) y la distancia entre los electrodos (0,031). El balance de masa se realizó partiendo de lo obtenido en el balance de masa en el desalador. A partir de allí se obtuvo los flujos másicos para cada corriente que se establecieron en el DFP. Éste último consta de una serie de equipos los cuáles requieren de un procedimiento establecido en la literatura (normas, catálogos, etc.) de manera tal que se especifiquen los parámetros más importantes para cada uno. Entre los equipos más importantes se encuentran: intercambiadores de calor, bombas, tanques y válvula de mezclado. Para los intercambiadores, se especificaron todos los parámetros establecidos en la metodología del diseño, teniendo en cuenta que el parámetro más importante que se requiere es el área de transferencia de los mismos, ya que ésta determina el tamaño de los equipos y a su vez el espacio que ocuparán dichos equipos en la planta. De igual forma, para las bombas, se especificó todo lo que se estableció previamente en la metodología, considerando que el parámetro a especificar más importante es la presión de descarga, el cual proviene del valor de la presión en el desalador y las pérdidas de presión en los equipos intermedios. Para los tanques, se considera que el parámetro más importante es la altura de los mismos, ya que ésta dimensión contribuye a la especificación de la presión de succión en las bombas. Finalmente para la válvula de mezclado se considera la caída de presión como la especificación más importante debido a que constituye una especificación de diseño para el proceso de desalación. Por último, el DTI, el procedimiento de arranque y parada, y la filosofía de seguridad constituyen las etapas del diseño que determinan los sistemas operacionales más importantes de la planta: Los de control y los relacionados con la seguridad operacional en la planta. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES A continuación se presentan las conclusiones más importantes que se derivan del establecimiento del diseño de la planta de desalación de crudo a escala banco realizado en la presente investigación: Para desalar un crudo la aplicación de un campo eléctrico uniforme acoplado a un aumento de temperatura e inyección de química desemulsificante son factores primordiales para la separación de las fases agua y crudo de la emulsión bifásica formada inicialmente. El equipo principal del proceso de desalación de crudo es el desalador electrostático, el cual determina las condiciones de operación del proceso. Las especificaciones más exigentes de sal en el crudo tratado son menores a 1 PTB. Y las mismas implican una concentración de agua en el producto final baja y un diámetro promedio de gota relativamente grande. El proceso de desalación de crudo se puede dividir en cinco etapas: inyección de agua fresca y química desemulsificante, mezclado, calentamiento, separación y enfriamiento. La escogencia del tipo de carga es un factor determinante en el proceso de desalación de crudo. El valor máximo más común de temperatura de operación del equipo es de 149° C (300° F). Al operar con temperaturas altas se requieren presiones de operación igualmente altas para evitar la vaporización. La distancia entre los electrodos obtenida (0,031 m) se considera consistente con las dimensiones del equipo obtenidas. (Longitud de 0,448 m y diámetro de 0,128 m) 103 El valor de campo eléctrico obtenido (22,3 kV/m) se corresponde con lo reportado en la bibliografía consultada. El voltaje aplicado obtenido no se corresponde con lo establecido para los desaladores a nivel industrial, debido a que este valor depende de las dimensiones del equipo. El diagrama de flujo del proceso obtenido está constituido por tanques, bombas, intercambiadores de calor, una válvula de mezclado, un filtro y el desalador electrostático. En virtud de diseño establecido se hace necesario formular las siguientes recomendaciones: Se recomienda estudiar la posibilidad de que exista un polímero transparente que resista las condiciones de operación del equipo, así como también estudiar las condiciones para la instalación de un visor de vidrio en el mismo. Se recomienda estudiar la flexibilidad de los intercambiadores de calor doble tubo en el caso de poseer longitudes de tubería muy extensas. 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Disponible en el sitio web: http://www.spe.org/. Consultado en marzo del 2009. Williams Milton Roy. “Pneumatic Pumps”. Disponible en sitio web http://www.williamspumps.com. Consultado en Julio, 2009. APÉNDICE A PLANOS DEL DESALADOR En la Fig. C.1 se observa la vista 3D del equipo que al igual que el plano del desalador realizado en el programa Autocad® con la asistencia de los dibujantes de planos de ingeniería de PDVSA-Intevep. En la Fig. C.2 se puede apreciar el plano 2D del equipo señalando alguna de las dimensiones calculadas previamente en el procedimiento de diseño del mismo. Figura A.1. Vista 3D del desalador Figura A.2. Plano 2D del desalador 109 APÉNDICE B DESCRIPCIÓN ADICIONAL DE ALGUNOS EQUIPOS DEL PROCESO Como se explicó en la metodología de la investigación, así como también en los resultados, la mayoría de los equipos adicionales del proceso fueron escogidos a través de catálogos proporcionados por las empresas fabricantes. En las siguientes secciones se describen, las cintas de calentamiento, las bombas tipo manivela polar y las neumáticas. B.1. Cintas de calentamiento flexibles Las cintas de calentamiento (Heater tapes) están hechas de alambres de resistencia de calibre fino, los cuales tienen doble aislamiento con fibra de vidrio trenzada, de manera que resulte una cinta plana que proporcione máxima flexibilidad. Las cintas de calentamiento de alto aislamiento, que son las que se porponen utilizar en la presente investigación, se realiza mediante la adaptación de una cinta estándar trenzándola entre capas de hilos de fibra de vidrio. - Aplicaciones Son ideales para el contacto directo en una superficie conductiva. - Precaución y advertencias Incendios y descargas eléctricas pueden resultar si la cinta se utiliza de manera incorrecta, o es instalado y/u operado por personal no calificado. Esta información fue obtenida a partir de los catálogos que ofrece la empresa Omega Engineering, Inc, (http://www.omega.com/). En dichos catálogos se presenta la información detallada de temperatura máxima, vatios, vatios por unidad de área y tamaño de acuerdo al modelo seleccionado de heating tape. En la Fig. B.1 se presentan algunos de los usos que se les da a las mencionadas cintas de calentamiento. B.2. Bombas manivela polar Estas son bombas reciprocantes de volumen controlado, diseñadas para mover volúmenes de líquido en contra de un diferencial de presión positivo entre la succión y la descarga de la bomba. 111 La bomba la constituyen tres grandes componentes: Una unidad de impulso (drive unit), un émbolo reciprocante (reciprocating plunger), y un dosificador (liquid end). Figura B.1. Algunas aplicaciones de las cintas de calentamiento flexibles (Omega Engineering Inc., http://www.omega.com) - Principio de Operación La unidad de impulso mueve el líquido hacia el dosificador desde la succión, para luego expulsarlo a través de la descarga. El mecanismo de impulso de esta bomba opera en un principio patentado de manivela polar (polar crank), en donde una manivela gira a través de un engranaje en planos variables y sumergida en aceite. Esta información fue obtenida a partir de los catálogos que ofrece la empresa Milton Roy (http://www.miltonroy.com). En dichos catálogos se ofrece la información detallada correspondiente a las especificaciones de las bombas. En la Fig. B.2 se observa un modelo de este tipo de bombas. Figura B.2. Bomba del tipo polar crank (manivela polar) (Milton Roy, http://www.miltonroy.com) 112 B.3. Bombas neumáticas Estas, son bombas de diafragma de función hidráulica que brinda contención química, bajo mantenimiento, y protección contra sobre presurización aunados a una exactitud y confiabilidad. Operan utilizando un sistema de inyección de aire a una determinada presión que depende de la presión de descarga requerida. Esta información fue obtenida a partir de los catálogos que ofrece la empresa Williams Milton Roy (http://www.williamspumps.com/). En dichos catálogos se ofrece la información detallada correspondiente a las especificaciones de las bombas. En la Fig. B.3 se observa un modelo de este tipo de bombas. Figura B.3. Bomba de tipo neumática (Williams Milton Roy, http://www.williamspumps.com) APÉNDICE C LISTA DE VÁLVULAS En la Tabla C.1 se observa la lista de las válvulas que se reflejan en el diagrama de flujo de proceso y el diagrama de tubería e instrumentación. Tabla C.1. Lista de Válvulas Válvula Tipo Función Bola Válvulas controladoras de flujo Bola Válvulas controladoras de nivel FCV-1001 FCV-1002 FCV-1003 FCV-1004 LCV-1001 LCV-1002 LCV-1003 LCV-1004 LCV-1005 TCV-1001 TCV-1002 PCV-1001 PCV-1002 PDCV-1001 Bola Válvulas controladoras de temperatura Bola Válvulas controladoras de presión Globo Válvula de Mezclado Bola Válvulas controladoras de flujo FCV-1001 FCV-1002 FCV-1003 FCV-1004 114 Tabla C.1. Lista de Válvulas (...continuación) Válvula Tipo Función Bola Válvulas controladoras de nivel Bola Válvulas controladoras de temperatura Bola Válvulas controladoras de presión Globo Válvula de Mezclado Alivio Válvulas de alivio de presión LCV-1001 LCV-1002 LCV-1003 LCV-1004 LCV-1005 TCV-1001 TCV-1002 PCV-1001 PCV-1002 PDCV-1001 PSV-1001 PSV-1002 PSV-1003 PSV-1004 PSV-1005 PSV-1006 PSV-1007 PSV-1008 VC-1001 VC-1002 VC-1003 VC-1004 VC-1005 VC-1006 VC-1007 VC-1008 VC-1009 Check Válvulas de retención, destinadas a evitar la inversión de la circulación 115 Tabla C.1. Lista de Válvulas (...continuación) Válvula Tipo Función VC-1010 VC-1011 VC-1012 VC-1013 VC-1014 VC-1015 VC-1016 VC-1017 VC-1018 VC-1019 VC-1020 Check Válvulas de retención, destinadas a evitar la inversión de la circulación VC-1021 VC-1022 VC-1023 VC-1024 VC-1025 VC-1026 VC-1027 VC-1028 VC-1028 VC-1030 En total son 52 válvulas. 13 válvulas de control, 1 válvula de mezclado, 8 válvulas de seguridad y 30 válvulas de proceso. APÉNDICE D TOXICOLOGÍA DE LOS FLUIDOS DE PROCESO En la Tabla D.1 se presenta la toxicología de los fluidos que se manejan en el proceso de desalación de crudo. Tabla D.1. Toxicología del petróleo crudo Identificación del Producto Nombre Petróleo Crudo Usos y Aplicaciones Alimentación a refinerías Descripción del Producto El petróleo crudo es una mezcla compleja de parafinas, ciclo-parafinas e hidrocarburos aromáticos, con una cantidad de carbonos que varía de C1 a C60+. Puede contener pequeñas cantidades de compuestos de azufre, nitrógeno y oxígeno, así como también trazas de metales pesados tales como níquel, vanadio y plomo. Información de Riesgos a la Salud Naturaleza del Riesgo Inhalación Puede causar dolores de cabeza, mareos, pérdida del apetito, debilidad, pérdida de coordinación y pérdida de conocimiento. Los vapores del crudo pueden causar irritación en el tracto respiratorio superior. Contacto con los ojos Los vapores del crudo pueden causar irritación moderada en los ojos. Contacto con la piel El contacto prolongado con la piel puede resecarla y producir dermatitis. Tabla D.1. Toxicología del petróleo crudo (...continuación) Información de Riesgos a la Salud Naturaleza del Riesgo Toxicidad mínima. Pequeñas cantidades del líquido Ingestión ingerido en los pulmones por tragarlo o vomitarlo puede causar efectos severos en la salud (i.e. bronconeumonía o edema pulmonar). El benceno es un conocido carcinógeno humano y Efectos Crónicos puede casar daños severos a la médula ósea y el sistema sanguíneo, lo que puede resultar en leucemia. El producto no está clasificado como un agente Datos de toxicidad cancerígeno. Pero sus componentes individuales están asociados con propiedades carcinógenas, reproductivas, mutagénesis y teratogénesis en animales. Límites de exposición ocupacional ACGHI recomienda: Para nieblas de crudo: 5 mg/m3 Para sulfuro de hidrógeno: 10 ppm (14mg/m3) Para benceno: TLV o 10 ppm (30 mg/m3). Compuesto de posible potencial cancerígeno en humanos. Medidas de Primeros Auxilios Inhalación Inmediatamente llevar al individuo a aire fresco. Si se para la respiración, administrar resucitación artificial. Mantener a la victima fresca y en reposo. Buscar atención médica. Contacto con los ojos Inmediatamente lavar con abundante agua por al menos 15 min y buscar atención médica. Contacto con la piel Remover la ropa contaminada lo más rápido posible. Lavar la piel expuesta con agua y jabón. Si se observa irritación consultar a un especialista. 118 Tabla D.1. Toxicología del petróleo crudo (...continuación) Medidas de Primeros Auxilios Sí este material se ingiere no inducir el vómito. Sí Ingestión comienza a vomitar, bajar la cabeza de la victima a razón de prevenir que el vómito entre a los pulmones. Buscar atención médica. Nunca poner algo en la boca de una persona inconsciente. Procedimiento de Emergencia Debido a que la inhalación de sulfuro de hidrógeno puede ser fatal, los rescatistas deben tener máscaras faciales de presión positiva contenedoras de respiradoras de aire aprobadas por NIOSH antes de realizar el rescate. Medidas Preventivas y Correctivas Información de protección especial Usar en un área bien ventilada. Se debe proveer de una ventilación adecuada en el lugar de trabajo para mantener los vapores de hidrocarburo y el sulfuro de hidrógeno por debajo de los límites de exposición establecidos. En condiciones normales no se requiere protección respiratoria. La protección respiratoria puede ser requerida en áreas con poca ventilación. Aparatos respiradores de aire o de presión positiva son requeridos cuando la concentración atmosférica de vapores de hidrocarburos excede 10 veces los límites de exposición ocupacional o cuando pueden existir altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno. Lentes anti-venteo de químicos pueden ser requeridos para prevenir daños en los ojos. Deben usarse guantes, batas y/o vestimenta con resistencia a los químicos en caso de poder ocurrir el contacto directo con el líquido. Materiales de Neopreno o nitrilo han sido probados para proveer protección efectiva contra petróleo crudo líquido. Disposición y control de derrames Evacuar al personal. Eliminar todas las fuentes de ignición. Contener el derrame y absorber con un absorbente inerte. Grandes derrames deben ser removidos con equipos al vacío a prueba de explosión. Grandes pozos deben ser cubiertos con espuma para prevenir la evolución del vapor. 119 Tabla D.1. Toxicología del petróleo crudo (...continuación) Medidas Preventivas y Correctivas Método de disposición de desechos El material de desecho debe ser ubicado en contenedores desechables para disponerlos de acuerdo a las regulaciones locales Riesgo de Fuego y Explosión Riesgos Generales Descarga Estática: Altamente inflamable, los vapores son más pesados que el aire y pueden concentrarse en áreas bajas. Los vapores pueden viajar distancias considerables hacia las fuentes de ignición y causar una llamarada. Todos los contenedores de almacenamiento y los equipos de bombeo deben estar cercanos al suelo. Lucha contra incendios Substancias extinguidores de fuego: Espuma, espray de agua y químico seco. El agua puede ser inefectiva, pero debe usarse para mantener frescos los contenedores expuestos al fuego. Si alguna fuga o derrame no se ha encendido usar espray de agua para dispersar los vapores Datos de sensibilidad a explosiones Estable bajo condiciones normales de temperatura y presión. Datos de reactividad Este material es estable. No ocurren polimerizaciones riesgosas. Materiales incompatibles y condiciones a evitar Material oxidante. Descomposición peligrosa Puede liberar gas de sulfuro de hidrógeno cuando se agita. Ver información de riesgo a la salud. Del calentamiento o de la combustión incompleta puede resultar dióxido de carbono, monóxido de carbono, humo acre de descomposición y óxidos de azufre. Evitar el calor, llamas abiertas y fuentes de ignición. Mantener la temperatura por debajo del punto de inflamación y mantener lejos de fuentes de ignición. Los espacios vacíos en tanques de almacenamiento pueden contener vapores de hidrocarburos y gas de sulfuro de hidrógeno. 120 Tabla D.1. Toxicología del petróleo crudo (...continuación) NOTAS Este producto contiene benceno. La respiración prolongada o repetida de vapores de benceno han sido asociados con el desarrollo de daños en los cromosomas en animales y varios desordenes sanguíneos desde anemia hasta leucemia. Este producto también puede contener hidrocarburos aromáticos policíclicos, los cuáles han sido asociados con cánceres de piel y pulmón. Efectos agudos Varían con la concentración de sulfuro de hidrógeno liberado, que van desde irritación leve de ojos, nariz y garganta a 100 ppm, hasta muerte por inconsciencia repentina a 500 ppm. Inhalación La liberación de H2S puede ocurrir en el espacio de vapor de los tanques de almacenamiento. Comportamiento anormal o parálisis repentina de la respiración y pérdida del conocimiento pueden ocurrir. Fuente Gibson Energy ULC. Material Safety Data Sheet. Petroleum crude oil (2008). Disponible en el sitio web: http://www.gibsons.com/Doc/MSDS/700388.pdf. Consultado en julio, 2009. Tabla D.2. Toxicología del BPR-23025 desemulsificante Identificación del Producto Nombre BPR-23025 desemulsificante Composición Nafta aromática liviana 1,2,4-Trimetilbenceno 1,2,3-Trimetilbenceno 1,3,5-Trimetilbenceno Xileno Naftaleno Isopropanol Mezcla de hidrocarburos aromáticos Etilbenceno Usos y Aplicaciones Aditivo desemulsificante para tratamiento de crudos 121 Tabla D.2. Toxicología del BPR-23025 desemulsificante (...continuación) Información de Riesgos a la Salud Resumen de Riesgos ALERTA. Puede causar efectos crónicos. Líquido inflamable. Los vapores pueden formar una mezcla inflamable o explosiva con el aire. Puede formar mezclas explosivas a la temperatura de inflamación o por encima. Los vapores pueden flotar por superficies hasta fuentes de ignición distantes e iniciar la llamarada. Descargas estáticas pueden causar ignición o explosión cuando el contenedor no se encuentra en condiciones de servicio. Puede ser irritante para los ojos, piel y el tracto respiratorio. Contiene un componente que puede ser cancerígeno. Puede ser tóxico al ser absorbido por la piel. Puede tener efectos en el sistema nervioso central si es inhalado. Naturaleza del Riesgo Inhalación Puede causar efectos en el sistema nervioso central si es inhalado. Puede ser irritante para los pulmones. Contacto con los ojos Puede causar irritación. Contacto con la piel Puede ser irritante para la piel. Puede ser tóxico si es absorbido por la piel. Contacto repetido o prolongado puede causar dermatitis y piel seca. Ingestión No se considera una ruta común de exposición, sin embargo, puede ser riesgoso o causar irritación. Durante la ingestión y/o el vómito, el producto puede ser aspirado por los pulmones, esto puede producir neumonía química, edema pulmonar y hemorragia. Condición médica agravada por Exposición a este producto puede agravar exposición condiciones médicas que incluyan lo siguiente: Sistema sanguíneo, riñones, sistema nervioso, hígado, tracto gastrointestinal, piel/epitelio, ojos. 122 Tabla D.2. Toxicología del BPR-23025 desemulsificante (...continuación) Información de Riesgos a la Salud Límites de exposición ocupacional ACGIH recomienda Xileno: TWA: 434 mg/m3 8 horas. STEL: 651 mg/m3 15 minutos. Naftaleno: TWA: 52 mg/m3 8 horas. STEL: 79 mg/m3 15 minutos. Isopropanol: TWA: 490 mg/m3 8 horas. STEL: 980 mg/m3 15 minutos. Etilbenceno: TWA: 434 mg/m3 8 horas STEL: 543 mg/m3 15 minutos. Para el resto de los componentes no se tienen datos disponibles. Medidas de Primeros Auxilios Inhalación Inmediatamente llevar al individuo a aire fresco. Puede administrarse oxígeno si resulta difícil respirar. Si no respira, administrar respiración artificial y conseguir atención médica. Obtener atención médica si los síntomas aparecen. Contacto con los ojos Lavar con abundante agua por 15 minutos, ocasionalmente levantar párpados inferiores y superiores. Obtener atención médica inmediatamente. Contacto con la piel Remover la ropa contaminada. Lavar con agua y jabón por 15 minutos hasta que no exista ninguna evidencia de material remanente. Obtener atención médica si se observa irritación. 123 Tabla D.2. Toxicología del BPR-23025 desemulsificante (...continuación) Medidas de Primeros Auxilios Ingestión Sí este material se ingiere no inducir el vómito, al menos que lo indique un personal médico. Nunca inducir el vómito o colocar algo en la boca de una víctima que esté inconsciente o convulsionando. Obtener atención médica si los síntomas aparecen Medidas Preventivas y Correctivas Controles ingenieriles Proveer de una adecuada ventilación u otros controles ingenieriles para mantener las concentraciones en el aire de vapores o partículas por debajo de sus respectivos límites de exposición. Asegurarse que los lava ojos y las duchas de seguridad estén próximas a la ubicación de la estación de trabajo. Protección Personal Las recomendaciones para el equipo de protección personal están basadas en los conocimientos anticipados de fabricación y las condiciones de uso. Se espera que estas condiciones resulten sólo en exposición accidental. Ojos: Lentes químicos de seguridad. Cuerpo: Llevar mangas largas para prevenir el contacto repetido o prolongado con la piel. Respiratorio: El uso de un respirador no se espera que sea necesario bajo condiciones normales de uso. En áreas poco ventiladas, situaciones de emergencia o si se exceden los niveles de exposición, usar el respirador de cara completa aprobado por NIOSH. Manos: Guantes químico resistentes. Guantes de nitrilo o neopreno. Guantes 4H. Pies: Botas químico resistentes o zapatos cubiertos. Método de disposición de desechos La responsabilidad para la adecuada disposición de aguas recae sobre el generador del desecho. Desechar cualquier material de desecho de acuerdo a las regulaciones locales. Observar que estas regulaciones pueden aplicar también para el vaciado de contenedores. El procesamiento, dilución o contaminación de este producto puede ocasionar cambios en sus propiedades físicas y químicas. 124 Tabla D.2. Toxicología del BPR-23025 desemulsificante (...continuación) Riesgo de Fuego y Explosión Riesgos Generales Líquido inflamable. Los vapores pueden formar una mezcla inflamable y explosiva con el aire. Pueden formar mezclas explosivas a temperaturas iguales o por encimas del punto de inflamación. Los vapores pueden fluir por las superficies hacia una fuente de ignición distante y producir la llamarada en retroceso. Descargas estáticas pueden causar ignición o explosión cuando el contenedor no se encuentra en condiciones de servicio. Lucha contra incendios En caso de fuego usar extinguidores de espuma, químico seco o CO2. Evacuar el área y combatir el fuego a una distancia prudente. El espray de agua puede usarse para mantener frescos los contenedores expuestos al fuego. Notar que los vapores inflamables pueden formar una mezcla de ignición con el aire. Los vapores pueden viajar largas distancia y producir llamaradas de regreso si se produce la ignición. Datos de reactividad Este material es estable. No ocurren polimerizaciones riesgosas. Materiales incompatibles y condiciones a evitar Material oxidante. Manipulación y almacenamiento Usar un equipo personal apropiado de protección. Evitar el contacto con los ojos, la piel y la vestimenta. Evitar respirar los vapores. Usar solamente con adecuada ventilación. Almacenar en un área fresca y bien ventilada. Mantener lejos del calor, chispas y llamas. Mantener lejos de los materiales incompatibles. Mantener el recipiente seco y bien cerrado. Para evitar fuego o explosión, mantener el equipo contenedor cerca del suelo al igual que el personal que maneja el producto. Fuente Baker Petrolite. Material Safety Data Sheet. Disponible en el sitio web www.msds.com. Consultado en julio, 2009. 125 Tabla D.3. Toxicología del gasóleo Identificación del Producto Nombre Gasóleo Composición Combustibles, Diesel Xn R40 Xn R65 R66 N R 51/53 Información de Riesgos a la Salud Clasificación del Producto Carcinógeno. Categoría 3 Nocivo Peligroso para el ambiente Información de Riesgos a la Salud Naturaleza del Riesgo Inhalación Los vapores pueden causar irritación de la nariz y la garganta. , dolores de cabeza, nauseas, vómitos, mareos, somnolencia, euforia, pérdida de la coordinación y desorientación. En áreas poco ventiladas o espacios confinados, puede resultar en inconsciencia y asfixia. Inhalación de vapores puede resultar en la absorción de cantidades nocivas de material Contacto con los ojos Puede causar irritación, experimentada como un malestar leve que se observa como un enrojecimiento del ojo. Contacto con la piel Un contacto breve puede causar una ligera irritación. Contacto prolongado, con la vestimenta impregnada del material, puede causar una irritación más severa y malestar, observado como enrojecimiento local y ardor. 126 Tabla D.3. Toxicología del gasóleo (...continuación) Información de Riesgos a la Salud Naturaleza del Riesgo Si se ingieren grandes cantidades, puede ocurrir Ingestión malestar abdominal, nausea y diarrea. La aspiración puede ocurrir durante la ingesta o el vómito, resultando en daños en los pulmones. Condición médica agravada por Debido a sus propiedades irritantes, el contacto exposición repetido con la piel puede agravar una dermatitis existente. Posible riesgo de efectos irreversibles Otros comentarios Efectos de exposición al ambiente Toxicidad a corto plazo para organismos acuáticos y marinos. Medidas de Primeros Auxilios Inhalación Inmediatamente llevar al individuo a aire fresco. Si no respira, proporcionar respiración artificial. Si la respiración se dificulta, un personal calificado puede administrar oxígeno. Obtener atención médica inmediata. Masaje cardíaco externo puede ser requerido si se detiene el corazón. Contacto con los ojos Inmediatamente lavar con abundante agua por 15 minutos, Mantener los parpados abiertos. Obtener atención médica inmediatamente. Contacto con la piel Lavar la piel con bastante agua y jabón hasta que las trazas del material sea removido. Remover y lavar la ropa y zapatos contaminados. Obtener atención médica si la irritación en la piel persiste o se prolonga el contacto con la piel. 127 Tabla D.3. Toxicología del gasóleo (...continuación) Medidas de Primeros Auxilios Sí este material se ingiere no inducir el vómito. Ingestión Obtener atención médica. Nunca colocar nada en la boca de una víctima que esté inconsciente o convulsionando. Medidas Preventivas y Correctivas Protección Personal Ojos: Lentes de seguridad químico resistentes o máscara completa para evitar contacto con los ojos. Protección Respiratoria: Concentraciones en el aire deben ser mantenidas en los niveles más bajos posibles. Si se genera vapor, niebla o polvo, usar máscara con el filtro aprobado o respirador como sea apropiado. Protección respiratoria debe usarse para la limpieza de grandes pozos o las entradas a los tanques, recipientes, u otros espacios confinados. Manos y Piel: Ropa de protección tal como uniformes retardadores del fuego, se debe usar bragas o batas de laboratorio. Guantes de PVC o nitrilo. Botas de seguridad con punta de acero, químico resistentes. Consideraciones de disposición Desechar de una manera segura de acuerdo con las regulaciones locales. Riesgo de Fuego y Explosión Riesgos Generales Se puede generar sulfuro de hidrogeno cuando se calienta Lucha contra incendios Usar niebla de agua, polvo seco, espuma o dióxido de carbono. Usar agua para mantener frescos los contenedores expuestos al fuego. Si una fuga o derrame no tiene ignición, usar niebla de agua para dispersar los vapores y proveer protección para el personal que intenta detener la fuga. En caso de fuego llamar a los bomberos. Pequeños incendios, pueden ser combatidos con un extinguidor por una persona que haya recibido instrucciones acerca de los riesgos de incendios de líquidos inflamables. Asegurar la ruta de escape si está disponible. 128 Tabla D.3. Toxicología del gasóleo (...continuación) Datos de reactividad Materiales incompatibles y condiciones a evitar Evitar el contacto con agentes oxidantes fuertes. Evitar fuentes de ignición tales como llamas, chispas y superficies calientes. Productos de descomposición peligrosos Óxidos de carbono, nitrógeno y azufre, aldehídos y cetonas. Sulfuro de hidrógeno (H2S) puede ser liberado en el calentamiento y en espacios confinados. Manipulación y almacenamiento Manipulación Ventilación exhaustiva local es recomendada si se genera vapor, polvo o niebla. Si la ventilación no está disponible o es inadecuada, usar un aparato respiratorio apropiado. Este producto puede contener hidrocarburos volátiles que se pueden acumular en el espacio vacío del contenedor, creando una atmósfera inflamable o explosiva. Sulfuro de hidrógeno puede ser liberado cuando se calienta. Almacenamiento Transportar, manipular y almacenar de acuerdo a las regulaciones locales y solamente en contenedores etiquetados diseñados para este producto. Proteger los contenedores de electricidad estática, iluminación y daño físico. Los contenedores vacíos pueden contener residuos del producto. No re usar los contenedores sin la limpieza y acondicionamiento adecuado. Fuente Chevron Limited. Material Safety Data Sheet. Disponible en el sitio web www.msds.com. Consultado en julio, 2009. Tabla D.4. Toxicología del Nitrógeno Identificación del Producto Nombre Nitrógeno Uso del Producto Química sintética/analítica. Líquido: Refrigerante criogénico. 129 Tabla D.4. Toxicología del Nitrógeno (...continuación) Información de Riesgos a la Salud Naturaleza del Riesgo Inhalación Actúa como un asfixiante. Contacto con los ojos El contacto con el gas expandiéndose rápidamente puede causar quemaduras. El contacto con el líquido criogénico puede causar quemaduras criogénicas. El contacto con el gas expandiéndose rápidamente Contacto con la piel puede causar quemaduras. El contacto con el líquido criogénico puede causar quemaduras criogénicas. La ingestión no es la ruta normal de exposición para Ingestión gases. El contacto con el líquido criogénico puede causar quemaduras criogénicas. Condición médica agravada por Condiciones respiratorias agudas o crónicas pueden exposición ser agravadas por sobreexposición a este gas. Medidas de Primeros Auxilios Inhalación Mover a la persona expuesta al aire fresco. Si no respira, la respiración es irregular o ocurre un paro respiratorio, proveer respiración artificial u oxígeno por personal entrenada. Aflojar la vestimenta apretada tales como collares, corbatas y cinturones. Obtener atención médica. Contacto con los ojos Remover lentes de contacto si los hay. Inmediatamente lavar con abundante agua por 15 minutos, Mantener los parpados abiertos. Obtener atención médica inmediatamente. Contacto con la piel En caso de contacto lavar inmediatamente la piel con bastante agua por 15 minutos. Remover y lavar la ropa y zapatos contaminados. Obtener atención médica. Ingestión No se específica debido a que el producto es un gas. 130 Tabla D.4. Toxicología del Nitrógeno (...continuación) Medidas Preventivas y Correctivas Controles Ingenieriles Usar sólo con ventilación adecuada. Usar cercamientos del proceso, ventilación local exhaustiva u otros controles ingenieriles para mantener el personal expuesto en los límites recomendados de contaminación en el aire. Protección Personal Ojos: Lentes de seguridad químico resistentes Protección Respiratoria: Usar un adecuado respirador purificador de aire o alimentador de aire, de acuerdo a los estándares aprobados si una evaluación de riesgos lo considera necesario. La elección del respirador debe estar basada en los niveles de exposición conocidos. Manos y Piel: Guantes químico resistentes. Equipo personal de protección adecuado basado en la tarea que se esté realizando. En caso de grandes derrames: Debe usarse un aparato de respiración autónomos para evitar la inhalación del producto Consideraciones de disposición Desechar de una manera segura de acuerdo con las regulaciones locales. Riesgo de Fuego y Explosión Riesgos Generales No inflamable. La descomposición del producto puede contener óxidos de nitrógeno. Lucha contra incendios Usar un extinguidor adecuado para el fuego circundante. Aplicar agua desde una distancia prudente para mantener frescos los contenedores y proteger el área circundante. Mantener el gas presurizado. En un incendio o bajo calentamiento, un aumento de presión puede ocurrir y el contenedor puede estallar o explotar. Datos de reactividad Materiales incompatibles y condiciones a evitar El producto es estable. Bajo condiciones normales la polimerización riesgosa no es factible y la descomposición del producto riesgosa no debe producirse. 131 Tabla D.4. Toxicología del Nitrógeno (...continuación) Manipulación y almacenamiento Manipulación Gas a alta presión. No agujerear ni incinerar el contenedor. Usar el equipo clasificado para cilindros presurizados. Cerrar válvula después de cada uso y cuando esté vacía. Proteger cilindros del daño físico; no arrastrar, rodar, deslizar o lanzar. Usar una adecuada carretilla de mano para el traslado del cilindro. Nunca dejar cualquier parte del cuerpo desprotegida en contacto con tuberías o recipientes no aislados que contengan líquidos criogénicos. Prevenir el entrampamiento del líquido en sistemas cerrados o tuberías sin sistemas de liberación de presión. Almacenamiento Los cilindros deben ser almacenados boca arriba, con la tapa de válvula protectora en su lugar, firmemente seguro para prevenir caídas o que sea tumbado. La temperatura en el cilindro no debe exceder los 52° C. Fuente Airgas Inc. Material Safety Data Sheet. Disponible en el http://www.airgas.com/documents/pdf/001040.pdf. Consultado en julio, 2009. sitio web
