UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA
EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LA UNIDAD AGUAS ÁCIDAS
DE LA REFINERÍA LA PAMPILLA
Por:
Br. José Andrés Ziritt Cruz
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Químico
Sartenejas, Junio de 2009
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA
EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LA UNIDAD AGUAS ÁCIDAS
DE LA REFINERÍA LA PAMPILLA
Por:
Br. José Andrés Ziritt Cruz
Realizado con la asesoría de:
Tutor Académico: Prof(a). Sabrina Di Scipio
Tutor Industrial: Ing. Félix Dávila
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Químico
Sartenejas, Junio de 2009
RESUMEN
Este proyecto tuvo como objetivo principal, la evaluación del funcionamiento de la Unidad de
Aguas Ácidas (Unidad 51) de La Refinería La Pampilla, ubicada en Lima, Perú. El fin de la
Unidad 51 es lograr el tratamiento del agua ácida producida en la refinería, mediante un proceso
de despojamiento donde se remueve el NH3 y H2S de la solución, hasta una determinada
especificación. La operación de esta unidad se ha visto afectada, trabajando de manera poco
eficiente, debido a que las condiciones bajo las que opera el sistema están muy por debajo de las
condiciones mínimas consideradas en su diseño. Por la ausencia de lineamientos que establezcan
una operación satisfactoria de la unidad para lograr el tratamiento de agua ácida requerido, su
operación no se rige bajo ningún orden y se lleva a cabo mediante la experiencia de los
ingenieros de planta. Para lograr mejorar el funcionamiento de la Unidad 51, se planteó un
modelo de simulación del sistema y se realizaron varias corridas de pruebas en la unidad. Una
vez evaluado el comportamiento de la Unidad 51 frente a las variables manipulables del sistema
(caudal de vapor de alta introducido al rehervidor, caudal de reflujo de enfriamiento de tope,
temperatura de retorno del reflujo, presión de tope), se establecieron las condiciones de operación
que garantizan un tratamiento efectivo del agua ácida dentro de los requerimientos establecidos,
al menor costo posible. Entre éstas se encuentra, la relación vapor/carga_alimentada de 130
kg/m3, la temperatura de tope entre 115-116 °C, la temperatura de retorno del reflujo de 97 °C y
la presión de tope manométrica de 1,0 kg/cm2 (98,1 kPa). Operando la Unidad 51 a las
condiciones propuestas, se automatizó por completo el manejo del sistema, y se estimó un ahorro
anual con respecto a las anteriores condiciones de operación de 145.486 $. Como resultado se
obtuvo que, mientras se mantenga el caudal y la composición de agua ácida producida en la
refinería dentro de los rangos evaluados en este proyecto (caudal aproximado a 23-27 m3/h y
concentración de NH3 no mayor a 1400 ppmp), y mientras las perturbaciones que puedan
presentarse en la unidad sean rápidamente reguladas por los sistemas de control de la misma, las
condiciones de operación propuestas en el presente trabajo, aseguran cumplir con el tratamiento
requerido del agua ácida, obteniendo agua tratada dentro de la especificación requerida por el
proceso de desalado del crudo (concentración de NH3 ≤ 30 ppmp). De esta forma, se obtiene una
mejor calidad de agua tratada para reutilizarse, y que además, ocasiona un menor impacto
ambiental al drenarse.
Palabras clave: despojamiento, agua ácida, agua tratada, evaluación.
AGRADECIMIENTOS
Agradezco mucho a todas las personas que hicieron posible la realización de este proyecto de
pasantías. La empresa, Repsol YPF, me abrió sus puertas cálidamente, y aprecio mucho la
disposición que tuvieron conmigo el tiempo que trabaja con ellos. Doy gracias por el equipo de
trabajo al cual entré, que no sólo me brindaron abiertamente sus conocimientos sino también su
amistad. Agradezco mucho a mi tutor industrial, el Ing. Félix Dávila, que siempre me brindó su
conocimiento con entusiasmo y paciencia, y muy importante, me brindó su gran amistad, su
confianza, y su grupo de amigos, el grupo divertido de la Refinería La Pampilla y mis grandes
compañeros de trabajo.
Estoy muy agradecido con mi tutora académica, la excelente Prof(a). Sabrina Di Scipio, quien
fue indispensable para la redacción de este informe de pasantía. Sus correcciones y comentarios
me ayudaron mucho a ordenar las ideas y a comprender la estructura del trabajo. Gracias por su
gran simpatía.
La realización de este proyecto de pasantía fue una gran experiencia, obtuve muchos
conocimientos, hice grandes amigos, y disfrute al máximo el tiempo que pasé en Perú.
Gracias a todos las personas que fueron parte de esta gran experiencia de vida.
i
ÍNDICE GENERAL
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 1
CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA ................................................................... 4
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 7
2.1 Columnas de despojamiento o despojadores ...................................................................... 8
2.2 Proceso de despojamiento .................................................................................................. 8
2.3 Problemas comunes en un despojador. Temperatura en el tope del despojador .............. 10
2.4 Despojamiento requerido por la Refinería La Pampilla ................................................... 11
CAPÍTULO 3. DESCRIPCIÓN DE LA UNIDAD DE AGUAS ÁCIDAS (UNIDAD 51) ...... 12
3.1 Descripción del sistema .................................................................................................... 13
3.1.1 Circuito de recipiente de alimentación ...................................................................... 14
3.1.2 Circuito de precalentamiento..................................................................................... 15
3.1.3 Circuito del despojador de aguas ácidas.................................................................... 16
3.1.4 Circuito del recipiente de drenajes ............................................................................ 21
3.1.5 Circuito del recipiente de gases de mechurrio........................................................... 22
3.1.6 Circuito de vapor y condensado ................................................................................ 22
3.2 Descripción de equipos .................................................................................................... 23
3.2.1 Recipiente de alimentación 51-D1 ............................................................................ 23
3.2.2 Despojador de aguas ácidas 51-C1 ............................................................................ 24
3.2.3 Rehervidor de fondo 51-E3 ....................................................................................... 25
3.2.4 Recipiente de drenajes 51-D2.................................................................................... 26
3.3 Variables de la columna de despojamiento 51-C1 [2] ....................................................... 27
3.4 Condiciones de diseño [2].................................................................................................. 27
3.5 Costos de operación ......................................................................................................... 28
3.6 Antecedentes de operación de la Unidad de Aguas Ácidas ............................................. 29
ii
3.6.1 Condiciones de operación ......................................................................................... 29
3.6.2 Operación de la Unidad 51 ........................................................................................ 30
3.6.3 Taponamiento de las líneas de reflujo ....................................................................... 30
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA.............................................................................................. 32
4.1 Despojamiento requerido. Tratamiento de agua ácida ..................................................... 32
4.2 Variables controladas en la Unidad 51 y su influencia en las condiciones de
operación ......................................................................................................................... 32
4.3 Variables manipulables evaluadas.................................................................................... 34
4.4 Principales variables de perturbación ............................................................................... 34
4.4.1 Caracterización de la alimentación de aguas ácidas .................................................. 35
4.5 Mediciones de la concentración de NH3 en el agua ácida y tratada ................................. 36
4.6 Jerarquización de los costos de operación de la Unidad 51 ............................................. 37
4.7 Simulación de la Unidad 51 ............................................................................................. 38
4.8 Corridas de prueba ........................................................................................................... 40
CAPÍTULO 5. EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN
DE LA 51-C1 ............................................................................................................................. 41
5.1 Presión de tope ................................................................................................................. 41
5.2 Vapor de alta introducido al rehervidor ........................................................................... 42
5.3 Temperatura de retorno del reflujo de enfriamiento ........................................................ 42
5.4 Reflujo de enfriamiento o pump around .......................................................................... 43
5.4.1 Observaciones en las pruebas realizadas en la unidad .............................................. 45
5.5 Humedad del gas ácido y temperatura de tope ................................................................. 45
CAPÍTULO 6. CORRIDAS DE PRUEBA Y SIMULACIÓN .................................................. 48
6.1 Relación caudal de vapor de alta/carga alimentada.......................................................... 48
6.2 Temperatura de retorno del reflujo de enfriamiento ........................................................ 48
6.3 Temperatura de tope ......................................................................................................... 49
iii
6.4 Funcionamiento de la Unidad 51 ..................................................................................... 50
6.5 Condiciones de operación propuestas .............................................................................. 53
6.6 Evaluación de la posibilidad de reducción del caudal de agua de enfriamiento
en los intercambiadores de calor 51-E4 y 51-E5 ............................................................... 55
6.6.1 Intercambiador 51-E4 ................................................................................................ 55
6.6.2 Intercambiador 51-E5 ................................................................................................ 55
6.7 Disminución de los costos de operación de la Unidad 51 ................................................ 56
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................................... 58
REFERENCIAS ......................................................................................................................... 60
iv
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Presiones de vapor de los principales componentes del agua ácida a 21 °C
y
1 atm [3] ....................................................................................................................... 9
Tabla 2.2 Valores concentración máxima de compuestos contaminantes en el agua tratada
según la reglamentación medio ambiental española [2] ............................................ 11
Tabla 3.1 Condiciones de diseño de la columna de despojamiento 51-C1 [2] ............................ 28
Tabla 3.2 Costos de los servicios utilizados en la Unidad 51 .................................................... 28
Tabla 6.1 Condiciones de operación propuestas ........................................................................ 53
Tabla 6.2 Costo estimado concerniente al vapor de alta consumido antes y después de la
optimización de la U-51 considerando 25m3/h de alimentación .............................. 56
Tabla 6.3 Costo estimado de operación y ahorro concerniente a la optimización de la U-51 ... 57
v
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Hidrólisis y transferencia de masa en el sistema [2] .................................................... 8
Figura 3.1 Recolector de aguas ácidas de la refinería [2] ............................................................ 13
Figura 3.2 Diagrama de bloques sencillo del sistema de la 51-C1............................................. 13
Figura 3.3 Circuito de entrada de agua ácida a la Unidad 51 [6]................................................. 14
Figura 3.4 Circuito de precalentamiento del agua ácida [6] ........................................................ 16
Figura 3.5 Control de la temperatura y el caudal del reflujo de enfriamiento [6] ....................... 17
Figura 3.6 Control de caudal de vapor de alta ingresado al rehervidor 51-E3 [6] ....................... 18
Figura 3.7 Control de la presión de tope de la columna 51-C1 [6].............................................. 20
Figura 3.8 Circuito de distribución de agua tratada [6] ............................................................... 21
Figura 3.9 Circuito de condensado [6]......................................................................................... 23
Figura 3.10 Columna de despojamiento 51-C1 .......................................................................... 25
Figura 3.11 Rehervidor de fondo 51-E3 ..................................................................................... 26
Figura 3.12 Gráfico completo de control del sistema de la 51-C1 [6]......................................... 31
Figura 4.1 Historial de concentraciones de NH3 y H2S en el agua tratada desde enero de 2008
hasta marzo de 2009 ................................................................................................. 33
Figura 4.2 Concentraciones medidas de NH3 en el agua ácida desde enero de 2007 hasta marzo
de 2009 ..................................................................................................................... 36
Figura 4.3 Tendencia entre el pH y la concentración de NH3 en el agua tratada ....................... 37
Figura 4.4 De la simulación de sistema de la 51-C1 .................................................................. 39
Figura 4.5 Detalle de la columna 51-C1 en la simulación ......................................................... 39
Figura 4.6 Diagrama de flujo de la metodología experimental las corridas las corridas de
pruebas realizadas en la Unidad 51 .......................................................................... 40
Figura 5.1 Relación entre el caudal de vapor de alta ingresado al rehervidor y el pH del agua
tratada a 23 m3/h de alimentación ............................................................................ 43
vi
Figura 5.2 Relación entre el caudal de reflujo de enfriamiento y el caudal de gas ácido expelido
por el tope del despojador ........................................................................................ 44
Figura 5.3 Relación entre el caudal de gas ácido producido en el despojador y el porcentaje de
apertura de la válvula de tope 51PV-011B............................................................... 45
Figura 5.4 Relación entre el caudal de reflujo de enfriamiento y porcentaje de agua en el gas
ácido producido en el despojador ............................................................................. 46
Figura 5.5 Relación entre el caudal de reflujo de enfriamiento y la temperatura de tope de la
columna de despojamiento ....................................................................................... 47
Figura 6.1 Nuevo lazo de control implementado a la temperatura de tope de la 51-C1 [6] ........ 50
Figura 6.2 Comparación de la concentraciones de NH3 en el agua tratada obtenidas en las
corridas de prueba con respecto a los valores de la data histórica desde abril del
2006 hasta enero del 2009 ........................................................................................ 51
Figura 6.3 Versatilidad de la relación óptima vapor-carga alimentada frente a variaciones de
composición del agua ácida...................................................................................... 52
Figura 6.4 Diagrama del DTI de control de la unidad automatizada una vez culminado el
trabajo ....................................................................................................................... 54
Figura 6.5 Resultados del despojamiento de agua ácida implementando las condiciones de
operación propuestas ................................................................................................ 54
vii
LISTA DE ABREVIATURAS
51-C1: Columna de despojamiento de la Unidad de Aguas Ácidas
U-51: Unidad de Aguas Ácidas
51-E4: Intercambiador de calor de efluentes de agua tratada
51-E5: Intercambiador de calor de condensado
SW: Sour water (agua ácida o agua agria)
TSW: Treated sour water (Agua tratada o agua ácida tratada)
UDPI: Unidad de destilación primaria I
UPDII: Unidad de destilación primaria II
UDVI: Unidad de destilación al vacío I
UDVII: Unidad de destilación al vacío II
FCC: Fluid catalytic cracking (Craqueo catalítico fluidizado)
UVB: Visbreaking unit (Unidad de viscoreducción)
02-H1: Horno 01 de UDPII
04H1: Horno 01 de UDVII
51-D1: Recipiente de alimentación
51-E2: Aeroenfriador de reflujo
51-E3: Rehervidor de fondo
51-D3: Recipiente de condensado
51-D2: Recipiente de drenajes ácidos
51-D6: Colector de mechurrio
51-D4: Recipiente de separación de vapor de baja
51-D5: Recipiente atmosférico de condensado
HS: Vapor de alta (vapor de 17 kg/cm2 o 1667,1 kPa de presión manométrica)
INTRODUCCIÓN
Este proyecto busca mejorar el funcionamiento de la Unidad de Aguas Ácidas (Unidad 51) de
La Refinería La Pampilla. Ésta está ubicada en Lima, Perú, y es parte de la empresa españolaargentina REPSOL YPF.
La unidad de tratamiento de aguas ácidas es una unidad relativamente nueva en La Refinería
La Pampilla, se implementó en la planta en el año 2004. Las condiciones a las que opera la
unidad, desde hace varios años, son muy diferentes a las condiciones de operación para las que
fue diseñada; inclusive, el caudal de alimentación, una de las principales y más relevantes
condiciones de operación del sistema, está por debajo del mínimo valor de diseño de la Unidad
51. Esta situación hace que el funcionamiento y comportamiento de la unidad sea muy diferente
al esperado por el diseño. Debido a esto, y a que no se ha llevado a cabo un estudio del
comportamiento de la unidad bajo las condiciones a las que típicamente se encuentra, la
operación de la Unidad 51 se maneja de forma empírica, es decir, que por medio de la
experiencia se asignan los valores de las variables manipulables de la unidad para lograr el
tratamiento requerido del agua ácida producida en la refinería, sin seguir un patrón u orden de
operación establecido. De esta forma, por no seguir un patrón determinado, y por ende, no utilizar
los sistemas de control automatizado para operar la unidad, los resultados obtenidos del
tratamiento de agua ácida no cumplen continuamente con su requerimiento (concentración de
NH3 ≤ 50 ppmp en el agua tratada). Dado esto, el área de Procesos de La Refinería La Pampilla
requiere hacer un estudio de la Unidad de Aguas Ácidas para evaluar las condiciones de
operación del sistema para lograr un tratamiento eficaz de las aguas ácidas de la refinería bajo las
condiciones a las que típicamente está sometida la unidad.
Principalmente, el mejoramiento del funcionamiento del sistema de la Unidad 51, concierne a
la operación de la Columna de Despojamiento 51-C1. Esta mejora se basa en evaluar las
condiciones de operación del sistema que representen el menor costo para obtener de forma
eficaz agua tratada dentro de la especificación requerida. Esto se logrará mediante corridas de
prueba en la columna de despojamiento de la unidad.
Las condiciones de operación que mejoren el desempeño de la Unidad 51, tienen una gran
importancia en el funcionamiento general de la refinería, dado que es necesario un tratamiento
efectivo del agua ácida producida en los procesos de refino, para obtener agua tratada con una
2
especificación que ocasione un menor impacto ambiental al drenarse y que valga como agua para
desalado del crudo, con el menor costo de operación posible.
Para cumplir con los requerimientos de la Refinería, a continuación se plantean los objetivos
del presente trabajo.
Objetivo general
Evaluar las condiciones de operación de la Unidad de Aguas Ácidas de la Refinería La
Pampilla que obtengan agua tratada dentro de la especificación requerida al menor costo posible.
Objetivos específicos
Para lograr mejorar el funcionamiento de la Unidad de Aguas Ácidas, U-51, se plantean los
siguientes objetivos específicos:
1. Desarrollar un modelo de simulación la Unidad Aguas Ácidas.
2. Estudiar una solución al problema de formación de sales amoniacales en la zona de reflujo de
enfriamiento de la columna de despojamiento. Hallar, temperatura de retorno del reflujo de
enfriamiento.
3. Evaluar las condiciones de operación de la columna de despojamiento 51-C1 que obtengan
agua tratada en la especificación requerida. Hallar, relación vapor-carga alimentada mínima
(kg vapor/m3 alimentación).
4. Evaluar la posibilidad de reducción del caudal de agua de enfriamiento en los
intercambiadores de calor 51-E4 y 51-E5.
La presentación de este trabajo está distribuido de la siguiente manera, en el capítulo 1, se
expone una breve descripción de la empresa REPSOL YPF y de La Refinería La Pampilla. En el
capítulo 2, se presentan algunos fundamentos teóricos vinculados con el tratamiento de aguas
ácidas. En el capítulo 3, se hace una descripción de la Unidad de Aguas Ácidas de La Refinería
La Pampilla. En el capítulo 4, se delimitan las variables vinculadas al proyecto, se presentan las
consideraciones y trabajos realizados antes de comenzar con las pruebas en la unidad, y por
último se muestra la metodología utilizada para llevar a cabo las corridas de prueba. En el
3
capítulo 5, se presentan las pruebas realizadas para evaluar las condiciones de operación de la
unidad. En el capítulo 6, se exponen los resultados obtenidos en el proyecto. Por último, se
resumen las conclusiones y recomendaciones alcanzadas tras la culminación del proyecto.
CAPÍTULO 1
DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
REPSOL YPF
Repsol es una compañía internacional que realiza su actividad en el sector de los hidrocarburos
y se ha consolidado como una de las primeras petroleras privadas del mundo.
Repsol fue fundada en España en el año 1987, en su origen estaba formada por la agrupación
de una serie de compañías, previamente pertenecientes al Instituto Nacional de Hidrocarburos
(INH) de España. En el año 1999, Repsol adquirió la práctica totalidad de las acciones de la
petrolera estatal argentina YPF, desde entonces la sociedad de la compañía pasó a llamarse
Repsol YPF, S.A. y constituye una empresa multinacional integrada de petróleo y gas natural,
con operaciones en más de treinta países, empleando a más de 37.000 personas de múltiples
nacionalidades, y siendo la mayor compañía privada energética en Hispanoamérica, en término
de activos. Sus actividades consisten en la exploración, producción, transporte y refino de
petróleo y gas; fabrica, distribuye y comercializa derivados del petróleo, productos
petroquímicos, gas licuado y gas natural [1].
La sostenibilidad, el desarrollo social y el compromiso con el medio ambiente están en la base
del negocio de la compañía. Repsol YPF es consciente de la gran responsabilidad que supone
desarrollar una actividad en torno a un bien natural preciado, escaso y esencial para el futuro de
la humanidad. El capital humano de esta empresa trabaja para transformar la energía en bienestar
y al servicio de todos, de una manera responsable y comprometida con el futuro.
En su decidida apuesta por la innovación tecnológica, Repsol YPF impulsa su capacidad de
desarrollo tecnológico en consonancia con su crecimiento empresarial, para ello dispone de un
Centro de Tecnología que está a la altura de los mejores complejos tecnológicos del sector
energético en el ámbito internacional. Esta apuesta por la innovación va acompañada del
desarrollo de tecnologías respetuosas con el medio ambiente. Para Repsol YPF la atención
5
al medio ambiente y la seguridad constituye un aspecto central de la gestión del negocio. La
Política de Medio Ambiente y Seguridad se implementa en todas las actividades de la compañía
mediante el sistema de gestión que establece los principios organizativos, los sistemas de
planificación, seguimiento y auditorías, y las condiciones básicas comunes a toda la empresa en
los ámbitos de medio ambiente y seguridad. Repsol YPF entiende que su compromiso con la
sociedad se asienta sobre su capacidad de generar y distribuir riqueza, resultado del desempeño
eficaz de sus actividades como compañía del sector de la energía. La acción social de la
compañía se enmarca en el compromiso a largo plazo con las sociedades en donde opera, ayuda a
consolidar su posición en los países donde tiene presencia y establece relaciones duraderas
basadas en la cooperación [1].
Los principales valores éticos que tiene Repsol YPF se basan en 4 puntos:
1. Integridad: Comportamiento intachable, alineado con la rectitud y la honestidad.
2. Transparencia: Información adecuada y fiel de lo que se hace. Una información veraz y
contrastable.
3. Responsabilidad: Asumir responsabilidades y actuar conforme a ellas.
4. Seguridad: Alto nivel de seguridad en procesos, instalaciones y servicios, prestando especial
atención a la protección de los empleados, contratistas, clientes y el entorno local.
Asimismo, Repsol YPF ha definido cuatro valores profesionales que integran las capacidades
compartidas por el personal de trabajo que permiten alcanzar la visión, cumplir los compromisos
y llevar la excelencia a la gestión[1].
1. Liderazgo: Dirección basada en la motivación, la delegación, la responsabilidad, la
participación y el trabajo en equipo que impulse a la organización hacia la nueva visión.
2. Orientación a resultados: Una gestión más flexible, ágil y con procesos eficientes.
3. Innovación: Actitud de permanente mejora e innovación, asegurando el acceso a la
información, gestionando el conocimiento y promoviendo el desarrollo tecnológico.
4. Orientación al cliente: Anticipación de las necesidades de los clientes con rapidez y
agilidad [1].
Una de las más importantes actividades de Repsol YPF en Perú, es la operación de La Refinería
La Pampilla, ubicada en Lima. Ésta es la principal refinería del Perú, procesando 150 mil barriles
6
por día. Cuenta con dos unidades de refino de conversión primaria y segundaria, UDPI (Unidad
de destilación primaria I) y UDVI (Unidad de destilación al vacío I), y UDPII (Unidad de
destilación primaria II) y UDVII (Unidad de destilación al vacío II).
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
En los diferentes procesos por los que pasa el petróleo para ser refinado en sus derivados, es
necesario remover el azufre y el amoniaco que se encuentran en el sistema. El azufre en forma
elemental es un contaminante presente en la composición del crudo extraído del yacimiento, al
contrario, el amoniaco es un contaminante agregado al sistema en el transcurso de la refinación
por razones vinculadas al proceso. Para remover estos contaminantes y evitar que aparezcan en
las corrientes de producto, se utiliza vapor de agua. El vapor inyectado en los diferentes procesos,
al entrar en contacto con el azufre en su forma elemental, forma ácido sulfhídrico (H2S), éste y el
amoniaco (NH3) a su vez, se diluyen en el vapor y son arrastrados a la zona de tope de las
columnas de los diferentes procesos, junto a otros compuestos como hidrocarburos livianos. Una
vez que se condensan las corrientes de tope de las columnas, se forma una solución acuosa en
equilibrio llamada agua ácida o sour water (SW). La reacción de equilibrio de los principales
componentes diluidos en el agua ácida se muestra en la ecuación (2.1) [2].
NH4+ + HS-
NH3 + H2S
(2.1)
Por los componentes que tiene, el agua ácida es muy tóxica y altamente contaminante. El
tratamiento para disminuir su toxicidad, y en efecto, su impacto ambiental al ser drenada, consta
de la remoción de la mayor cantidad posible de NH3 y H2S de la solución acuosa. Para lograr
esto, se utiliza una técnica de separación llamada despojamiento.
Un proceso de despojamiento o agotamiento se basa en la separación de una mezcla líquida o
gaseosa, de dos o más sustancias, en sus partes componentes de una pureza dada, mediante el
agregado y remoción de calor
[3]
. En un proceso de despojamiento, el rango de energía que se
debe invertir en el sistema para lograr la separación buscada depende de la naturaleza y las
condiciones de la solución que se esté tratando. Específicamente, en una columna de
despojamiento, la cantidad de energía requerida para lograr un despojamiento eficaz depende
directamente de la carga alimentada, por esto, el caudal y la composición del agua ácida
8
introducida al proceso de tratamiento tiene una determinada proporcionalidad con la energía que
debe añadirse al sistema. En general, la energía invertida en la operación de este proceso es
brindada por el caudal de vapor que se alimenta al sistema.
2.1 Columnas de despojamiento o despojadores
En el tratamiento de agua ácida generalmente se pueden utilizar dos tipos de despojadores, su
diferencia radica en dónde se ingresa el vapor al sistema, energía impulsora del proceso de
separación. En el primer tipo se introduce el vapor al rehervidor de fondo de la columna y en el
otro se introduce el vapor directamente a la columna haciendo contacto continuo con el agua
ácida.
Como en toda columna con etapas de equilibrio, en el despojador existe una estrecha relación
entre la energía que se introduce y se remueve del sistema en los intercambiadores de calor.
Debido a esta relación, si se desea mantener condiciones estables en el sistema, al incrementar la
cantidad de energía ingresada en el fondo de la columna debe aumentar la cantidad de energía
removida en el tope del sistema.
2.2 Proceso de despojamiento
En el proceso de despojamiento, previo a la transferencia de NH3 y H2S en fase acuosa a fase
gaseosa, es necesario que se dé un proceso de hidrólisis en los iones de la solución de agua ácida
(fase líquida), como se muestra en la Figura 2.1.
Figura 2.1 Hidrólisis y transferencia de masa en el sistema [2]
9
El despojamiento de los contaminantes del agua ácida depende de la constante de hidrólisis de
la reacción, que a su vez, depende de la temperatura. A temperaturas mayores el valor de la
constante de hidrólisis aumenta y se puede lograr una separación más eficiente en la unidad.
En un sistema cerrado a presión atmosférica y en estado estacionario, la presión de vapor de
una solución y la presión del ambiente están en equilibrio; si la presión de vapor de la solución
aumenta y vence a la presión atmosférica, se produce una transferencia de masa de la fase líquida
a la gaseosa hasta que las presiones se equilibran nuevamente. La volatilidad de cada compuesto
depende de su presión de vapor, los componentes más volátiles son los que tienen mayor presión
de vapor. La presión de vapor de un compuesto varía en función a la temperatura, si aumenta la
temperatura, aumenta la presión de vapor.
En un proceso de despojamiento, mientras mayor sea la diferencia entre las presiones de vapor
de los componentes de una solución, más fácil será la separación de los más volátiles, de los
menos volátiles.
Las presiones de vapor de los principales componentes del agua ácida a 21 °C y 1 atm se
muestran en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1 Presiones de vapor de los principales componentes del agua ácida a 21 °C
y1
atm [3]
Componente
Presión de vapor (kPa)
H2O
2,4
NH3
888,0
H2S
1820,0
El NH3 y el H2S tienen presiones de vapor mucho mayores que la del agua, esta condición
permite que se puedan separar de la solución acuosa en diferentes fases, los más volátiles, NH 3 y
H2S, en la fase gaseosa, y el menos volátil, H2O, en la fase líquida. En la Tabla 2.1 se puede
observar que entre los componentes más volátiles de la solución de agua ácida, el más volátil es
el H2S, y por ende, en el tratamiento de agua ácida, el ácido sulfhídrico es despojado con mucha
más facilidad que el amoniaco.
10
La presión de la solución afecta la solubilidad del NH3 y del H2S en el agua. A bajas presiones
los componentes más volátiles, NH3 y H2S, tienden a estar en fase gaseosa más que en fase
líquida, por ende la solubilidad de estos compuestos en agua es menor y su remoción de la fase
líquida se obtiene con mayor facilidad, es decir, que se necesita menos energía para lograr el
despojamiento requerido en el agua ácida. Por esto, en una columna de despojamiento, la presión
de tope es una variable que determina la cantidad de energía que necesita el sistema para lograr el
despojamiento buscado de los componentes más volátiles de la solución. Mientras menor sea la
presión de tope a la que se opere la columna, los componentes más volátiles del agua ácida, NH 3
y H2S, se removerán de la fase líquida con un menor consumo de energía.
A pesar de que la zona de tope de una columna de despojamiento de agua ácida tiene la
concentración más alta de NH3 y H2S del sistema, el agua es el componente con mayor
proporción en el caudal total de gas ácido.
El reflujo de enfriamiento de tope de una columna de despojamiento disminuye la temperatura
de cada una de las etapas de equilibrio del sistema, y en consecuencia, disminuye las presiones de
vapor de cada componente de la solución de agua ácida; esto hace que el H2O tienda a estar en
mayor proporción en la fase líquida y se logre recuperar en mayor cantidad en el fondo del
despojador. Por otro lado, la variación del reflujo de enfriamiento de tope cambia la cantidad de
agua en el tope de la columna y en consecuencia hace variar considerablemente el caudal de gas
ácido o gas de tope, es decir, que mientras mayor sea el calor removido en el enfriamiento de
tope de la columna se obtendrá un gas ácido más seco (con menos concentración de agua).
2.3 Problemas comunes en un despojador. Temperatura en el tope del despojador
La zona de tope de la columna de despojamiento tiene la menor temperatura y la mayor
concentración de NH3 y H2S del sistema, esto puede representar un problema en las columnas de
despojamiento por la formación de sales amoniacales en las líneas, válvulas o instrumentos de la
unidad. Por esto, el enfriamiento del reflujo de tope es un problema potencial en la columna,
porque si se disminuye la temperatura de la solución por debajo de la temperatura a la que
precipitan las sales amoniacales, se producirá un taponamiento de las líneas y/o válvulas del
sistema. Para evitar que estas sales se formen en el reflujo de enfriamiento, la temperatura de
retorno de la corriente de reflujo no debe ser menor que la temperatura de formación de las dichas
11
sales. En la literatura, algunos autores sugieren una temperatura mínima de retorno del reflujo de
82 °C [4], otros sugieren un valor mínimo de 90 °C [5].
2.4 Despojamiento requerido por la Refinería La Pampilla
Por políticas medio ambientales de la empresa, REPSOL YPF se compromete a minimizar el
impacto ambiental que sus actividades puedan ocasionar. Bajo esta premisa, para minimizar la
contaminación ocasionada por la Refinería La Pampilla, REPSOL YPF implementó la Unidad de
Aguas Ácidas en la planta en el año 2004 para tratar las aguas ácidas producidas en la refinería.
Las regulaciones ambientales implementadas en la Refinería La Pampilla relacionadas con las
concentraciones de NH3 y H2S en el agua tratada se muestran en la Tabla 2.2. Esta regulación se
basa en la reglamentación española de drenajes líquidos.
Tabla 2.2 Valores concentración máxima de compuestos contaminantes en el agua tratada según
la reglamentación medio ambiental española [2]
Compuesto
Concentración máxima
permitida en el Agua Tratada
(TSW)
NH3
50 ppmp
H2S
5 ppmp
Dada esta reglamentación, no se puede drenar al ambiente agua con concentraciones de NH3 y
H2S por encima del valor máximo pautado.
CAPÍTULO 3
DESCRIPCIÓN DE LA UNIDAD DE AGUAS ÁCIDAS
(UNIDAD 51)
La Refinería La Pampilla tiene dos unidades principales de refino, UDPI, UDVI y UDPII,
UDVII. Además, está equipada con una unidad de craqueo catalítico fluidizado, FCC (Fluid
catalytic cracking), y una unidad de reducción de viscosidad, UVB (Visbreaking unit). En la
refinería se obtienen varios cortes de petróleo, se produce nafta, querosén, gasolina, etc., además
se producen asfaltos y algunos aromáticos. Debido a que en los procesos que se llevan a cabo en
las unidades de refino mencionadas anteriormente se produce agua ácida o SW (sour water), el
área de Energía de la refinería tiene una unidad de tratamiento de estas aguas llamada Unidad de
Aguas Ácidas o Unidad 51. La alimentación total de aguas ácidas que se introduce en la Unidad
51 es el resultado de la recolección de las SW de las unidades de FCC, VB, UDPII, UDVII y
parte de la SW de UDPI. En la Figura 3.1 se muestra un diagrama del recolector de aguas ácidas
de la refinería. Las aguas ácidas que no ingresan al recolector son enviadas directamente a los
tanques de agua para desalado del crudo en UDPI y UDPII.
Debido a la diferencia de volatilidades entre los componentes del agua ácida, el tratamiento de
esta solución se logra con un proceso de transferencia de masa en una torre o columna de
despojamiento (stripping). La Refinería La Pampilla cuenta con una columna de despojamiento
de 40 platos de transferencia, denominada numéricamente como 51-C1.
La mayor parte de los productos de la columna de despojamiento, por lo general, se reutilizan
en la misma Refinería. El agua tratada con bajas concentraciones de NH3 y H2S es utilizada como
agua para desalado del crudo; ésta es enviada a drenaje cuando su consumo en el proceso de
desalado es menor a su producción. Los gases de tope o gases ácidos ricos en NH3 y H2S, son
utilizados como combustible, éstos pueden ser enviados a los quemadores del horno 02-H1 en
UDPII o del horno 04-H1 en UDVII. Al inicio y durante la realización del presente trabajo los
gases ácidos producidos en la 51-C1 eran enviados al horno 04-H1.
13
Figura 3.1 Recolector de aguas ácidas de la refinería [2]
3.1 Descripción del sistema
La unidad de Aguas Ácidas de la Refinería la Pampilla, denominada numéricamente como
Unidad 51 o U-51, es una de las unidades más simples de la refinería. En la Figura 3.2 se muestra
un diagrama de bloques simplificado del proceso en esta unidad.
Figura 3.2 Diagrama de bloques sencillo del sistema de la 51-C1
14
El circuito del proceso se puede dividir en seis circuitos básicos:
3.1.1 Circuito de recipiente de alimentación
Las agua ácidas producidas en las diferentes unidades del proceso de refino, recogidas por el
colector general fuera de los límites de batería de la Unidad 51, son conducidas al recipiente de
alimentación 51-D1 para comenzar el proceso de tratamiento. En la Figura 3.3 se muestra un
diagrama del circuito de alimentación.
Figura 3.3 Circuito de entrada de agua ácida a la Unidad 51 [6]
En este recipiente se separa la fase orgánica de la fase acuosa de la corriente de alimentación; la
fase orgánica está formada por los hidrocarburos que han sido arrastrados por el vapor en el
proceso de remoción de azufre y amoniaco del crudo. El recipiente opera a una presión
manométrica de 0.5 kg/cm2 (49 kPa) la cual se mantiene a través de un sistema de presurización
(blanketing) con gas combustible controlado por la válvula de control de presión 51PV-001A/B.
El gas resultante del control de presión se dirige al colector de mechurrio de la planta. El
recipiente se encuentra protegido mediante la válvula de seguridad 51PSV-001 que descarga al
colector de mechurrio bajo condiciones de sobrepresión en el sistema. Los hidrocarburos
recogidos en el recipiente 51-D1 son enviados a slops (mezcla de hidrocarburos reutilizables)
15
mediante la bomba de hidrocarburos 51-P1A/B. La bomba se encuentra normalmente parada y
arranca automáticamente a través del automatismo 51SA-002 cuando se alcanza un nivel
suficiente en el depósito de hidrocarburos del recipiente medido por el transmisor 51LT-001, de
igual forma cuando se alcanza un nivel bajo en el depósito se apaga el motor de la bomba.
El agua ácida limpia de hidrocarburos, sale del recipiente 51-D1 mediante la bomba 51-P2A/B;
el caudal de salida, corriente de entrada al despojador, es regulado mediante un control en
cascada integrado por el controlador de nivel del compartimiento de aguas ácidas del recipiente
de alimentación, 51LC-005, que manda la señal del punto de consigna (set point) al controlador
de caudal 51FC-001, que actúa sobre la válvula 51FV-001 para regular el caudal de agua ácida en
la entrada de la columna de despojamiento. El controlador 51FC-001 recibe la señal del caudal de
agua ácida alimentada al despojador por medio del trasmisor 51FT-001, conectado con una placa
orificio en la línea.
Todos los venteos de los equipos y sistemas de la unidad que manejan aguas ácidas y tengan
concentraciones considerables de H2S y NH3 se envían al recipiente de alimentación 51-D1.[2]
3.1.2 Circuito de precalentamiento
Previo al proceso de despojamiento, la corriente de agua ácida que sale del recipiente de
alimentación debe ser calentada hasta una temperatura de 105 °C, valor de diseño de la
temperatura de alimentación al despojador. El agua es bombeada a través de la bomba de carga al
despojador 51-P2A/B y enviada al banco de intercambiadores de calor alimentación/producto
conformado por 4 intercambiadores de carcasa colocados en serie, 51-E1A/B/C/D. El agua de
calentamiento de los intercambiadores es el producto de fondo de la columna de despojamiento o
agua tratada, ésta entra por el lado de la carcasa de los intercambiadores de calor con una
temperatura promedio de 122 °C. El agua ácida sale del 51-D1 y entra los intercambiadores con
una temperatura promedio de 42 °C. El banco de intercambiadores está diseñado para que el
intercambio de calor entre las dos corrientes sea tal que la temperatura de salida de la corriente de
agua ácida resulte una temperatura mayor de la temperatura de diseño buscada, 105 °C; para
controlar que la temperatura de alimentación al despojador sea la requerida, se emplea un sistema
de control de flujos en la entrada del lado de los tubos de los intercambiadores, desviando una
línea de agua ácida por fuera del circuito de calentamiento (by pass), que al mezclarse con la
línea principal caliente que sale del banco de intercambiadores, disminuye la temperatura de la
16
corriente al valor deseado antes de ingresar al despojador. En la Figura 3.4 se muestra un
diagrama del circuito de precalentamiento del agua ácida.
Figura 3.4 Circuito de precalentamiento del agua ácida [6]
El lado de los tubos de los intercambiadores se encuentra protegido de una posible expansión
térmica en caso de bloqueo con la válvula de seguridad 51PSV-002, que descarga a la línea de
entrada al recipiente de alimentación, mientras sigue funcionando el lado caliente [2].
3.1.3 Circuito del despojador de aguas ácidas
La columna de despojamiento de aguas ácidas 51-C1 de la Unidad 51 cuenta con 40 platos de
transferencia, un reflujo de enfriamiento de tope y un rehervidor de fondo operado con vapor de
alta presión (presión manométrica de 17 kg/cm 2 o 1667,1 kPa). La corriente de agua ácida
calentada a 105 °C se introduce a la 51-C1 por la parte superior del plato 9 de la columna
(enumerando los platos de la columna de arriba hacia abajo). El caudal de alimentación está
controlado por el lazo de control 51FE/51FC/51FV-001, sobre el que actúa en cascada la medida
de nivel del depósito de la fase acuosa del recipiente de alimentación, 51LC-005, ver Figura
3.4[2].
El reflujo de enfriamiento en la parte superior de la columna se consigue recirculando el líquido
en el recolector del plato 8 del despojador (plato de chimeneas), éste es impulsado a través de la
17
bomba de reflujo 51-P3A/B hasta el aeroenfriador 51-E2, y es retornado a la columna con una
temperatura menor por la parte superior del plato 1, como se muestra en la Figura 3.5.
Figura 3.5 Control de la temperatura y el caudal del reflujo de enfriamiento [6]
La capacidad máxima de diseño de caudal de reflujo de la 51-C1 es 90 m3/h. Dado que el H2O
en el caudal de gas ácido o gas de tope producido en la 51-C1, por lo general, representa más del
80% del caudal total, el reflujo de enfriamiento de la columna de despojamiento cambia
considerablemente el caudal de gas ácido que sale por el tope de la columna variando la cantidad
de agua en la corriente. Aunque con el reflujo de tope sean arrastradas trazas de NH 3 y H2S a la
fase líquida, la principal consecuencia de la variación de la energía removida en el enfriamiento
de la columna 51-C1, es la variación de la humedad del gas ácido o gas de tope. En la Figura 3.6
se muestra el circuito del rehervidor de fondo de la columna de despojamiento.
El líquido de carga al rehervidor de fondo 51-E3 se recoge en la parte inferior del plato 40, éste
ingresa a los tubos del intercambiador por gravedad y retorna vaporizado a la parte inferior del
plato 40 por efecto de termosifón. La energía necesaria para la vaporización en el rehervidor se
obtiene con una corriente de vapor de alta presión, vapor de 17 kg/cm 2 manométricos (1667,1
kPa), que se condensa en la carcasa del rehervidor vertical o termosifón 51-E3. El recipiente de
condensado 51-D3, asociado al 51-E3, sirve para mantener un nivel de líquido en la carcasa del
rehervidor que actúa como trampa de vapor. El nivel de condensado de vapor es el mismo para
ambos equipos, 51-D3 y 51-E3, este nivel varía el área de intercambio de calor en el 51-E3 y
asegura que la condensación del vapor sea completa. El caudal de entrada de vapor de alta al
18
rehervidor se controla por medio de la válvula de salida de condensado del 51-D3, 51LV-010, el
caudal de vapor aumenta cuando la válvula disminuye su caída de presión dejando pasar un flujo
mayor de condensado, esto ocasiona que haya una mayor área disponible en el intercambiador
51-E3 para alojar al vapor. El controlador de caudal de vapor de alta, 51FC-005, tiene como
punto de consigna para su lazo de control en cascada al multiplicador 51FX-001, su función es
ajustar el caudal de vapor introducido al rehervidor en función al caudal de alimentación regulado
por el controlador 51FC-001 (relación entre vapor de alta/carga alimentada). En el lazo de control
del vapor de alta y su condensado, hay un selector de mínima señal 51LX-010 que recibe una
señal del medidor/controlador 51FC-005 y una señal del controlador de nivel 51LC-010 del
depósito de condensado del rehervidor, 51-D3 (con alarma de bajo nivel). La señal seleccionada
actúa sobre la válvula de control de salida de condensado 51LV-010. Este condensado es enviado
al 51-D4, recipiente de condensado de baja presión[2].
Figura 3.6 Control de caudal de vapor de alta ingresado al rehervidor 51-E3 [6]
Los productos tóxicos de los gases de tope que abandonan la columna se incineran fuera de los
límites de batería de la unidad en el horno de UDPII o de UDVII. Antes que los gases lleguen a
los quemadores de fondo del horno, son pasados por un filtro que retiene el condensado que haya
19
en la corriente, filtros 02KV-10A/B y 04KV-10A/B, esto evita que ingrese agua líquida a los
quemadores y se libere energía de forma violenta al momento de la combustión.
La cantidad de H2O en el gas ácido que sale por el tope de la columna puede ocasionar
corrosión en las paredes de las tuberías y problemas en los quemadores de los hornos donde se
incineran. Además, dado que los componentes del gas que hacen combustión y generan calor son
principalmente el NH3, el H2S y los hidrocarburos arrastrados en el proceso, la concentración de
agua afecta la producción de calor de la línea en el sistema de los hornos. El H 2O al no hacer
combustión, no genera calor, y consume energía aumentando su temperatura al valor de
equilibrio del sistema del horno, en consecuencia, para obtener la transferencia de calor requerida
en el horno se debe hacer un gasto mayor de operación para compensar la energía consumida por
el agua aumentando el caudal de gas combustible utilizado en los quemadores del equipo.
La temperatura de tope de la columna de despojamiento está relacionada con diferentes
variables del sistema, pero principalmente, bajo condiciones constantes de presión de tope y
caudal de vapor ingresado al rehervidor, la temperatura de tope depende directamente de la
cantidad de agua que haya en el gas ácido.
La presión de tope de la columna de despojamiento se controla regulando el caudal de salida de
gas ácido o gas de tope, esto se logra mediante un lazo de control en secuencia (51PT-011/51PV011A/B). La válvula de control 51PV-011A está situada en una línea conectada con el colector de
mechurrio de la refinería, la 51PV-011B está sobre la línea de envío de los gases del despojador a
los hornos. La situación normal de operación es con la válvula 51PV-011B abierta y la 51PV011A cerrada. En caso de aumento de presión en la columna el sistema actúa abriendo la válvula
51PV-011B, en caso de no ser suficiente para aliviar la presión se abrirá la válvula 51PV-011A.
En caso de que ninguno de los hornos esté en disposición de recibir los vapores del despojador
y/o que se presenten problemas de sobrepresión, se puede iniciar manualmente el automatismo
51SA-011 mediante el accionador 51HS-011B que corta el flujo en la línea hacia los quemadores
de los hornos y desvía toda la corriente hacia el colector de mechurrio. En caso de muy alta
presión en el despojador (51PTS-012A/B/C) se desencadena el enclavamiento 51SE-002 que
corta la alimentación de vapor al rehervidor del despojador (51-E3) para evitar que salten las
válvulas de seguridad que protegen la columna (51PSV-003A/B) [2].
La capacidad máxima de diseño de caudal de gas que puede pasar por la válvula 51PV-011B,
es aproximadamente de 1150 Nm3/h (503,32 kg/h), sin embargo, en la operación real de la
20
columna, debido a desgaste y obstrucciones en la mecánica del instrumento, el caudal máximo de
gas ácido que deja pasar la válvula con su máxima apertura (100%) es de aproximadamente 1050
Nm3/h. En la Figura 3.7 se muestra el sistema de control del caudal de salida de los gases de tope
de la columna de despojamiento.
Figura 3.7 Control de la presión de tope de la columna 51-C1 [6]
En la parte inferior del despojador existe una línea de desnatado (1”-SW-51-0207-B11-P) que
permite, abriendo la válvula de corte correspondiente, enviar cualquier arrastre de hidrocarburo
introducido al despojador de vuelta al recipiente de carga y/o a la succión de la bomba de slops
51P-001A/B; en el peor de los casos también se puede enviar directamente al drenaje [2].
La corriente de agua recogida en el fondo del despojador (agua tratada o TSW) es bombeada a
través de la bomba de fondo de la columna 51P-004A/B, ésta se envía al intercambiador de calor
alimentación/producto 51E-1A/B/C/D donde se enfría con la corriente de aguas ácidas que
alimenta al despojador.
El nivel de líquido en el fondo del despojador se mantiene constante por medio del controlador
de nivel 51LC-008, éste mantiene el nivel de líquido regulando las válvulas que controlan la
salida de agua tratada del sistema. El agua tratada que abandona el banco de intercambiadores
alimentación/producto se puede dividir en tres corrientes diferentes para su distribución. Las dos
primeras se dirigen hacia las unidades de destilación primaria I y II (UDPI y UPDII), controlando
el caudal a través de los lazos de control 51FE/FV-006 y 51FE/FV-007 respectivamente; sobre
estos lazos de control actúa en cascada la medida de nivel de líquido en el fondo de la columna de
despojamiento 51LT/LC-008, como se mencionó anteriormente. El agua tratada es distribuida en
21
UDPI y UDPII para ser utilizada como agua para desalado del crudo. La tercera corriente se
envía al enfriador de drenajes 51-E4, donde se enfría con agua de refrigeración hasta una
temperatura aproximada de 45 °C y se envía a la red de drenajes, si es necesario existe una línea
que envía esta corriente de vuelta al recipiente de alimentación 51-D1; el caudal de esta corriente
también viene controlado por el lazo de control de la columna de despojamiento 51LT/LC-008.
Existe una línea conectada con esta corriente de drenajes preparada para enviar de forma continua
un pequeño caudal de agua tratada a la unidad de sodas gastadas [2]. En la Figura 3.8 se muestra el
circuito de distribución de agua tratada de la Unidad 51.
Figura 3.8 Circuito de distribución de agua tratada [6]
3.1.4 Circuito del recipiente de drenajes
Todos los drenajes de los equipos y sistemas que manejan aguas ácidas y tengan
concentraciones considerables de H2S y NH3, se recogen mediante un sistema cerrado y enterrado
de drenajes y se envían por gravedad al recipiente enterrado para drenajes 51-D2. Este recipiente
se mantiene a una presión manométrica ligeramente superior a la atmosférica (0.1 kg/cm 2 o 9,8
kPa) mediante el presionamiento con nitrógeno y a través del lazo en rango partido 51PT023/51PV-023A/B, el nitrógeno se descarga en caso de sobrepresión directamente a la atmósfera
a un lugar seguro. Instalada en el interior del 51-D2 se encuentra la bomba de drenajes ácidos
51P-006A, su reserva 51P-006B se encuentra en almacén. Los drenajes ácidos se van recogiendo
en el recipiente donde se acumulan hasta que se consiga un nivel suficiente, el medidor de nivel
del recipiente 51LT-016 desencadena el automatismo 51SA-P6A, que arranca la bomba cuando
22
existe nivel alto en el depósito y para cuando se alcanza nivel bajo. Las aguas ácidas se envían a
través de la bomba 51P-006A hacia el recipiente de alimentación [2].
3.1.5 Circuito del recipiente de gases de mechurrio
Las descargas del gas de 51-D1, los posibles desvíos de la corriente de gas que abandona la
columna de despojamiento así como las descargas de las válvulas de seguridad, se envían al
colector de mechurrio de la unidad de aguas ácidas, 51-D6. En este recipiente se separa el líquido
arrastrado de la corriente gaseosa para dirigirla al colector general de mechurrio de la refinería
fuera de los límites de batería de la unidad. El líquido se acumula en el recipiente hasta que se
alcance un nivel suficiente (51LT-018) para activar el automatismo 51SA-P7A/B que arranca las
bombas del recipiente de mechurrio 51P-007A/B, enviando el líquido al recipiente de
alimentación 51-D1. Cuando se alcanza nivel bajo en el depósito, las bombas vuelven a
pararse [2].
3.1.6 Circuito de vapor y condensado
El condensado obtenido en el rehervidor 51E-3 del despojador se lamina a través de la válvula
de control 51LV-010 y se envía hacia el recipiente de condensado de baja presión, 51-D4, donde
se separan las fases de vapor y líquido. Este recipiente opera a 2 kg/cm 2 (196,1 kPa) de presión.
La fase vapor obtenida se envía a la red de vapor de baja de la unidad. La fase líquida o
condensado se enfría aproximadamente hasta 90 °C en el enfriador de condensado 51-E5 con
agua de refrigeración y se envía al recipiente de condensado atmosférico a través de la válvula de
control 51LV-012. El nivel en el recipiente de condensado de baja presión 51-D4 se mantiene
mediante el lazo de control 51LT/51LV-012. El enfriador de condensado está protegido frente a
la posible expansión térmica por bloqueo en el lado frío mediante la válvula de seguridad 51PSV007 que descarga directamente a la red de drenajes. El condensado a 90 °C llega al recipiente de
condensado atmosférico 51-D5, que opera, como su nombre lo dice, a presión atmosférica.
Instaladas en el interior del recipiente se encuentran las bombas de condensado atmosférico 51P005A/B que bombean el condensado a 3,8 kg/cm2 manométricos (372,7 kPa), hacia el colector de
condensado de la unidad y posteriormente hasta el colector general a través del límite de batería.
El control de caudal se realiza con el lazo de control 51FE/FV-011 sobre el que actúa en cascada
23
la medida de nivel en el recipiente 51-D5 (51LTLC-014)
[2]
. En la Figura 3.9 se muestra el
circuito de condensado de la unidad.
Figura 3.9 Circuito de condensado [6]
3.2 Descripción de equipos
A continuación se presenta una breve descripción de cuatro de los principales equipos de la
Unidad 51.
3.2.1 Recipiente de alimentación 51-D1
Es el equipo que recibe las aguas ácidas producidas en la refinería para iniciar su proceso de
tratamiento en la unidad. Se trata de un recipiente horizontal de 4 m de diámetro y 12,5 m de
longitud, está fabricado de acero al carbono calmado. Este recipiente permite separar posibles
arrastres de hidrocarburos que vengan con el agua ácida antes de su ingreso en la columna de
despojamiento. La alimentación del 51-D1 de agua e hidrocarburo alcanza la parte central del
recipiente a través de las ranuras a lo largo del distribuidor de alimentación, de 6 in de diámetro
(15,2 cm), que recorre el interior del recipiente. Las distintas fases, acuosa y orgánica, se separan
en esta parte central del equipo quedando por densidad la fase orgánica sobre la fase acuosa. El
depósito está diseñado con un tiempo de residencia tal que se puede producir dicha separación.
Una platina soldada de manera estanca al recipiente, separa uno de los extremos del equipo (zona
de aguas ácidas) de la parte central manteniendo la comunicación a través de una apertura en la
parte inferior de la platina de 1 m de altura; por esta apertura el agua ácida limpia de
hidrocarburos alcanza la zona de aguas ácidas del recipiente. En esta zona existe un deflector de
24
3,1 m de altura que las aguas ácidas deben sobrenadar para alcanzar el extremo final del
recipiente donde se recolectan el agua ácida limpia de hidrocarburo, y donde se encuentra la
tobera de salida (6 in o 15,2 cm) que se dirige a la aspiración de la bomba de carga 51P-002A/B.
El otro extremo, zona de hidrocarburos, ésta separado de la zona central por medio de otra platina
de 3,2 m de altura, cuando la capa de fase orgánica sobrenadante en la parte central alcanza esta
altura, la corriente de hidrocarburos ingresa en la zona de depósito de la fase orgánica en la que
se encuentra la tobera de salida (4 in o 10,2 cm) que se dirige a la aspiración de la bomba de
hidrocarburos 51P-001A/B. El equipo dispone de una boca de hombre central de 24 in (61 cm), y
tanto el deflector de la zona de aguas ácidas como el de la zona de hidrocarburos, están provistos
de un acceso para poder alcanzar los extremos del equipo en casos de mantenimiento [2].
3.2.2 Despojador de aguas ácidas 51-C1
Es una columna de despojamiento (o agotamiento) de 40 platos de transferencia en la que se
separan los gases de H2S y NH3 disueltos en la corriente de agua que se alimenta al equipo. Tiene
una altura de 30,985 m, un diámetro de 2,2 m en la parte inferior y de 1,75 m en la zona de
platos. Esta fabricada en acero al carbono calmado recubierto de metalogen desde el plato 30 al
fondo (enumerando los platos de arriba hacia abajo) y de acero al carbono con revestimiento de
acero inoxidable desde el tope hasta el plato 30. La alimentación se introduce mediante un tubo
interno de 4 in (10,2 cm) que entra paralelo a los vertederos de los platos 8 y 9, hacia la parte
superior del plato 9. La alimentación al rehervidor del despojador 51-E3 se efectúa con el agua
almacenada en el recolector situado en la parte inferior del sello del plato 40. La mezcla líquidovapor procedente del rehervidor se reintroduce a la columna por una tobera situada en la
generatriz de la columna, 750 mm por debajo del recolector.
El plato 8 del despojador tiene características especiales diferentes al resto de los platos, éste
dispone de 6 chimeneas para gas con sombrero por las que pasa vapor proveniente del plato 9
para dirigirse al plato 7. La altura de estas chimeneas es superior a la altura de 1 m del rebosadero
del plato 8. Este plato recoge el líquido del reflujo de enfriamiento, éste sale de la columna a
través de una tubuladura conectada con un recolector de 300 mm de profundidad que existe en la
parte central del plato. El líquido enfriado en el aeroenfriador 51-E2 del reflujo, se introduce a la
columna de despojamiento a través de un distribuidor en la parte superior del plato 1. En la
Figura 3.10 se muestra una foto de la columna de despojamiento 51-C1.
25
La columna dispone de tres entradas de hombre de 24 in (61 cm), están situadas una en la parte
superior del plato 1, en la parte inferior de la columna y entre los platos 8 y 9 (zona de
alimentación) [2].
Figura 3.10 Columna de despojamiento 51-C1
3.2.3 Rehervidor de fondo 51-E3
Consiste en un intercambiador de calor vertical tipo AEL (TEMA). La carcasa y las placas
deflectoras internas son de acero al carbono, los cabezales y la placa tubular son de acero al
carbono calmado.
La entrada del líquido de la columna al banco de tubos del rehervidor se realiza por el cabezal
de la parte inferior del intercambiador a través de una conexión de 8 in (20,32 cm) y sale
vaporizado por el cabezal de la parte superior a través de una conexión de 14 in (35,6 cm). El
vapor de alta con 17 kg/cm2 de presión manométrica (1667,1 kPa) se introduce por la parte
superior de la carcasa a través de una conexión de 4 in (10,16 cm) y sale condensado por la parte
26
inferior de la misma. Tanto la carcasa como la zona de tubos disponen de venteo y drenajes
independientes [2]. En Figura 3.11 se muestra una foto del rehervidor 51-E3.
Figura 3.11 Rehervidor de fondo 51-E3
3.2.4 Recipiente de drenajes 51-D2
Se trata de un depósito enterrado donde se recogen los drenajes de aguas ácidas generados en
toda la unidad. Es un cilindro horizontal de 1 m de diámetro y 3,3 m de altura, sobre éste está
acoplado con refuerzos un adosado vertical de aproximadamente 800 mm de diámetro que
sobresale hacia la superficie, éste acaba en una brida de 32 in (81,3 cm) sobre la que se sitúan las
conexiones necesarias para el equipo. En la parte inferior también existe adosada una bota de 800
mm de diámetro y medio metro de longitud. El equipo está construido en acero al carbono
calmado. En el interior del recipiente se encuentra instalada una de las bombas de drenajes
ácidos, 51P-006A, permaneciendo la reserva en el almacén. La línea de entrada de drenajes llega
directamente hasta el cilindro horizontal conectado a través de un tubo interno; el resto de
27
tubuladuras para la válvula de seguridad, vaciado, venteo, impulsión de bomba, etc., se
encuentran sobre la superficie en la tapa del equipo. Existen dos tuberías internas que recorren el
equipo de forma vertical desde la superficie, una de ellas llega hasta la bota de fondo y es una
línea de evacuación para el completo vaciado del recipiente; la otra no llega hasta el final y
alberga en su interior el medidor de nivel 51LT-016. En operación, el equipo se mantendrá a una
presión ligeramente superior a la atmosférica a través de una presurización o blanketting con
nitrógeno [2].
3.3 Variables de la columna de despojamiento 51-C1 [2]
Variables manipulables: presión de tope de la columna, caudal de vapor que ingresa al
rehervidor de fondo, caudal de reflujo de tope (reflujo de enfriamiento), temperatura de retorno
del reflujo y temperatura de la alimentación.
Variables dependientes: temperatura de tope, caudal gas ácido (gas de tope), cantidad de agua
en el gas de tope, caudal de agua tratada (TSW), concentración de NH3 y H2S en el agua tratada.
Variables de perturbación: caudal y composición de alimentación, presión y temperatura del
vapor de alta, nivel de fondo de la columna, nivel del recipiente de alimentación 51-D1 y nivel
del 51-D3 (trampa de vapor en el rehervidor).
3.4 Condiciones de diseño [2]
Los parámetros de operación considerados para el diseño la Unidad de Aguas Ácidas de la
Refinería La Pampilla se muestran en la Tabla 3.1.
28
Tabla 3.1 Condiciones de diseño de la columna de despojamiento 51-C1 [2]
Variable del sistema
Valor de diseño
Caudal de alimentación
65,25 m3/h
Caudal mínimo de alimentación
60% de la alimentación
nominal
Temperatura de la alimentación
105 °C
Presión de tope manométrica
1,2 kg/cm2 (117,7 kPa)
Presión de fondo manométrica
1,5 kg/cm2 (147,1 kPa)
Temperatura de tope
117 °C
Temperatura de fondo
127 °C
Caudal de reflujo de enfriamiento
83500 kg/h – 90 m3/h
Temperatura de retorno del reflujo
80 °C
de enfriamiento
Relación vapor de alta/carga
alimentada
174 kg/m3
3.5 Costos de operación
Los principales costos de operación de la Unidad 51 se vinculan a los siguientes servicios o
utilities:
 Vapor de alta (HS) introducido al Rehervidor 51-E3
 Energía Eléctrica consumida por los ventiladores del aeroenfriador 51-E2 (reflujo de
tope de la columna)
 Aumento del caudal de gas combustible en los quemadores del horno 04-H1 por
razón de la cantidad de agua en el gas ácido (gas de tope)
Los costos asociados a los servicios vinculados con la Unidad 51 se muestran en la Tabla 3.2.
29
Tabla 3.2 Costos de los servicios utilizados en la Unidad 51
Servicio
Costo
Agua cruda
0,4 $/m3
Energía Eléctrica
0,06 $/kWh
Vapor de alta
(17 kg/cm2 de
15,93 $/ton
presión
(0,0159 $/kg)
manométrica)
Condensado
Gas combustible
2,09 $/m3
1,91 $/MMBtu
(1,81E-6 $/kJ)
3.6 Antecedentes de operación de la Unidad de Aguas Ácidas
Los antecedentes de operación de la Unidad 51 que se presentan a continuación son
inconvenientes que han surgido en el sistema de tratamiento de aguas ácidas y han afectado su
funcionamiento. Estas condiciones en la operación de la unidad representan el punto de partida de
este proyecto.
3.6.1 Condiciones de operación
Las condiciones de operación a las que típicamente está sometida la Unidad 51 son muy
diferentes a sus condiciones de diseño. Esto hace que el funcionamiento de la unidad sea muy
diferente al esperado según los diseñadores.
La condición principal que afecta el funcionamiento de la columna de despojamiento es la
carga de alimentación que se le introduzca. En promedio, el caudal de alimentación de agua ácida
que típicamente ingresa a la columna es 25 m3/h, éste varía aproximadamente entre 23 y 27 m3/h.
El caudal de alimentación de diseño de la columna de despojamiento es de 65,25 m3/h, y su valor
mínimo de diseño es el 60% de la alimentación nominal, es decir, 39,15 m3/h de SW. El caudal
promedio que típicamente se alimenta a la U-51 representa menos del 40% de la carga de
30
alimentación de diseño, y menos del 64% del caudal mínimo de diseño, por ende, la columna de
despojamiento 51-C1 está operando en condiciones muy por debajo de las de diseño. Esta
condición en la operación influye drásticamente en el comportamiento de la columna, y en
consecuencia las condiciones eficientes de operación del sistema son muy diferentes a las de la
base de diseño.
3.6.2 Operación de la Unidad 51
Dado que la Unidad de Aguas Ácidas de la refinería opera bajo condiciones para las que no fue
diseñada, los valores recomendados por el diseñador para obtener un funcionamiento eficiente de
la unidad no tienen validez. En consecuencia, la operación de la columna de despojamiento 51C1, principal equipo de la unidad, no se rige bajo un lineamiento de condiciones establecidas, es
decir, que su operación es netamente manual, sin sistemas de control automático, donde los
valores ingresados a los controladores del sistema se eligen de forma empírica por medio de la
experiencia. De esta forma, ninguna de las principales variables manipulables del sistema se
ajustan a las perturbaciones que se presentan en la unidad. El principal ejemplo de esta situación
es el sistema de control de relación entre el caudal de vapor de alta ingresado al rehervidor y el
caudal de alimentación del despojador, éste se encuentra inhabilitado debido a que no se tiene un
valor eficiente de la relación vapor/carga_alimentada para ponerlo en funcionamiento, y
necesariamente el caudal de vapor de alta se maneja de forma manual.
En la Figura 3.12 se presenta el DTI de la Unidad 51 mostrado en las pantallas de las consolas
de control de la refinería.
3.6.3 Taponamiento de las líneas de reflujo
Debido a problemas de obstrucción en las líneas de reflujo de enfriamiento por la formación de
sales amoniacales, en marzo del año 2007, se realizó una vaporización en el sistema del
aeroenfriador 51-E2 para aumentar la temperatura de la línea y disolver las sales formadas en las
tuberías. La temperatura promedio a la cual se operaba el retorno del reflujo antes de realizar la
vaporización era aproximadamente 90 °C.
Cuando se inició el proyecto de optimización de la unidad, las líneas del reflujo de
enfriamiento estaban nuevamente obstruidas. Esto se pudo evidenciar porque el máximo caudal
31
de reflujo que fluía por la válvula 51FC-004 era 38 m3/h, cuando por diseño la válvula debería
dejar pasar a su máxima apertura un caudal aproximado a 90 m 3/h. En el periodo transcurrido
desde la vaporización hasta el inicio de este proyecto, se operó con una temperatura promedio de
retorno de reflujo de 92-93 °C.
Figura 3.12 Gráfico completo de control del sistema de la 51-C1 [6]
CAPÍTULO 4
METODOLOGÍA
Para estudiar el sistema de la columna de destilación 51-C1 y cumplir con los objetivos
propuestos en este proyecto, se construyó un modelo de simulación de la columna y se llevaron a
cabo diferentes corridas de prueba para observar el comportamiento del sistema frente a ciertas
variables manipulables de la unidad.
En este capítulo se expondrá el contenido referente a las variables del sistema de la Unidad de
Aguas Ácidas, y las consideraciones tomadas para llevar a cabo las corridas de prueba en la
unidad.
4.1 Despojamiento requerido. Tratamiento de agua ácida
La especificación requerida de agua tratada considerada en este proyecto se delimitó en una
concentración de NH3 menor o aproximada a 30 ppmp. Esta especificación fue determinada por
un estudio conjunto con los ingenieros de General Electric, contratistas de la refinería encargados
del tratamiento químico del agua para desalado, se acordó que para tener un agua óptima para
desalado del crudo, el agua tratada utilizada para este fin debe tener una concentración de NH3
menor o aproximada a 30 ppmp. Dado que la especificación requerida en el agua tratada para
reutilizarse como agua para desalado es más limitada que la requerida para poder drenarse al
ambiente (ver Tabla 2.1), el despojamiento de agua ácida buscado en la unidad se rige bajo la
especificación de la concentración de NH3 ≤ 30 ppmp en el agua tratada.
4.2 Variables controladas en la Unidad 51 y su influencia en las condiciones de operación
Dado que el tratamiento de agua ácida consta del despojamiento de NH3 y H2S hasta una
determinada concentración, las principales variables que se desean controlar en la Unidad 51 son
33
la concentración de NH3 y H2S en el agua tratada; por esto, se hizo un seguimiento de los valores
de estas variables y se conscruyó un gráfico, mostrado en la Figura 4.1, incluyendo datos de
inicios de 2008 hasta la culminación del presente trabajo.
Figura 4.1 Historial de concentraciones de NH3 y H2S en el agua tratada desde enero de 2008
hasta marzo de 2009
En la Figura 4.1 se puede observar que en los análisis de laboratorio del agua tratada de la
unidad, los valores típicamente reportados de la concentración de H2S siempre están muy por
debajo de la especificación requerida de 5 ppmp, sin importar que la concentración de NH3 esté
dentro, en el límite o fuera de su especificación. Esta amplia desigualdad en el despojamiento de
NH3 y H2S, consecuencia de la alta diferencia entre las presiones de vapor de estos compuestos,
932 kPa a 21 °C y 1 atm (presión de vapor de H2S mayor, ver Tabla 2.1), hace que en el proceso
de tratamiento de agua ácida, la variable que determina las condiciones de operación requeridas
para lograr el tratamiento buscado, sea solamente la cantidad de NH 3 despojado en la unidad.
Esta condición en el sistema no cambia, dado que el agua ácida producida en la refinería tiene
concentraciones mayores de amoniaco que de ácido sulfhídrico. Por lo tanto, aunque las variables
que se desean controlar en la unidad son la concentración de H2S y NH3 en el agua tratada, el
despojamiento de NH3 es la variable limitante de las condiciones de operación requeridas en el
sistema; de esta forma, en las corridas de prueba en la unidad, la concentración de NH 3 en el agua
34
tratada es la principal variable medida para corroborar la efectividad de las condiciones de
operación evaluadas.
4.3 Variables manipulables evaluadas
De las variables manipulables del sistema expuestas en el punto 3.3, la presión de tope y la
temperatura de la alimentación de la columna deben tener un valor constante para que las
condiciones base del sistema para el proceso de despojamiento sean constantes. Partiendo de un
sistema constante con una temperatura de alimentación y presión de tope fijas en la columna, se
puede evaluar de manera efectiva la variación de las demás variables manipulables del sistema.
Las corridas de prueba en la Unidad de Aguas Ácidas se basaron en la evaluación de su
funcionamiento frente a la variación del caudal de vapor de alta y del caudal de reflujo de
enfriamiento. La primera variable analizada fue el caudal de vapor de alta, durante estas primeras
pruebas se evaluó la temperatura de retorno del reflujo. Luego se analizó el caudal de reflujo de
enfriamiento.
4.4 Principales variables de perturbación
De las variables de perturbación mencionadas en el punto 3.3 del Capítulo 3, el caudal y la
composición del agua ácida alimentada son las más importantes y relevantes para obtener el
despojamiento buscado en la unidad. Como se expuso en el marco teórico, mientras mayor sea el
caudal y/o la composición del agua ácida alimentada al sistema, mayor será la cantidad de NH3 y
H2S en la corriente, y en consecuencia, la cantidad que se debe despojar de estos componentes y
la energía necesaria para hacerlo, será mayor. Esto quiere decir, que el caudal de vapor de alta
que se debe ingresar al rehervidor de fondo 51-E3, depende directamente del caudal y/o la
composición de NH3 y H2S del agua ácida alimentada al despojador.
El transmisor/indicador 51FT-001 de la unidad, proporciona el valor del caudal de agua ácida
que ingresa a la columna de despojamiento. La concentración de NH3 y H2S del agua ácida,
segunda variable principal de perturbación, no es medida en el sistema ya que no hay
analizadores de composición que permitan conocer este importante dato. Dado esto, la cantidad
de energía necesaria para lograr el despojamiento buscado en el sistema, se puede calcular sólo
mediante la relación entre el caudal de alimentación y el vapor de alta ingresado al rehervidor.
35
Dado que el control de vapor no se puede ajustar a la variación de la composición de la
alimentación, para operar la unidad de manera eficiente es de gran ayuda tener un estimado de la
concentración de NH3 y H2S en la SW. Para esto se procedió a hacer una caracterización del agua
ácida producida en la refinería.
4.4.1 Caracterización de la alimentación de aguas ácidas
La Refinería la Pampilla recibe diversos tipos de crudo con diferentes propiedades. En la planta
se procesan varias mezclas de crudos, que pueden ser de 2 hasta 7 crudos diferentes y se pueden
incluir cantidades bajas de slops o residuos de hidrocarburos reutilizables. Cada unidad de
destilación procesa una mezcla de crudos diferente.
Los datos disponibles para la caracterización del agua ácida son:
 Fecha y hora del cambio de alimentación en UDPI y UDPII con los respectivos
porcentajes de los diferentes crudos en las mezclas a procesar.
 Fecha y hora del análisis de la concentración de NH3 y H2S en el agua ácida alimentada a
la Unidad 51.
La diversidad de mezclas de crudos procesados en la refinería hace que la caracterización de la
alimentación de aguas ácidas sea muy difícil. Además, la cantidad de NH3 y H2S que se remueve
en los distintos procesos a los que se somete el crudo depende de muchas variables, como el
caudal que ingresa a las destiladoras, el pH y temperatura del sistema, entre otros. Los datos
disponibles para caracterizar la alimentación de agua ácida no presentaron una tendencia que
relacione los diferentes tipos de crudo que se refinan con el contenido de NH3 y H2S en el agua
ácida.
Dado que no se mide continuamente la composición del agua ácida alimentada al sistema, y a
que no se tiene un estimado de la variación de su valor, las condiciones óptimas de operación de
la unidad deben ser eficientes para todo el rango de concentraciones de NH 3 que presenta
típicamente el agua ácida producida en la refinería, entendiéndose por eficiente que dichas
condiciones produzcan agua tratada siempre dentro de la especificación requerida sin importar la
variación de la composición del agua ácida alimentada al sistema.
En la Figura 4.2 se muestra el rango de concentraciones de NH3 del agua ácida alimentada a la
columna de despojamiento durante el periodo de enero de 2007 hasta marzo de 2009. Analizando
36
la Figura 4.2 se determinó que el rango de concentraciones de NH3 que típicamente presenta el
agua ácida producida en la refinería es de 500 a 1400 ppmp. Este fue el rango de la composición
de NH3 del agua ácida considerado para la determinación de las condiciones de operación
óptimas de la Unidad 51.
Concentración de NH3 en el agua ácida
(ppmp)
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Figura 4.2 Concentraciones medidas de NH3 en el agua ácida desde enero de 2007 hasta marzo de
2009
4.5 Mediciones de la concentración de NH 3 en el agua ácida y tratada
La concentración de NH3 en el agua tratada se mide mediante análisis en el laboratorio de la
Refinería. El área de Procesos de la Refinería, tiene pautado con el laboratorio análisis rutinarios
de agua ácida y agua tratada, tres días a la semana, lunes, miércoles y viernes, se determina el pH
y la concentración de NH3 y H2S de una muestra de agua ácida y de agua tratada. Martes y jueves
sólo se analiza el pH de una muestra de agua tratada. En algunos casos, cuando las condiciones
de operación lo ameriten, se puede coordinar con el laboratorio para que los días que sólo se mide
pH, martes o jueves, se mida además la concentración de NH3 en el agua tratada. Dado que sólo
se puede enviar al laboratorio una muestra por día para obtener el resultado de la corrida de
prueba en la unidad, se recurrió a la medida en campo (en la planta) del pH del agua tratada para
relacionar su valor con el de la concentración de NH3, y de esta forma, tener una variable medible
37
en campo que de un estimado de la efectividad del despojamiento a las condiciones de operación
evaluadas. En la Figura 4.3 se muestra la tendencia encontrada, mediante diferentes corridas de
prueba y análisis de muestras en el laboratorio, entre el pH del agua tratada y su concentración de
NH3.
Analizando la Figura 4.3 se estableció la tendencia de que un pH menor a 8,8 indica que el
agua tratada tiene una concentración de NH3 dentro o cerca de la especificación requerida de 30
ppmp. Con esta tendencia se pudo estimar la concentración de NH3 en el agua tratada midiendo
en campo el pH de los drenajes del fondo de la columna de despojamiento, y de esta forma, se
pudieron evaluar en un día varias condiciones de operación en las corridas de prueba en la
Unidad 51, ya que se variaban las condiciones de la columna de despojamiento hasta obtener un
pH dentro de un rango de 7,5-8,8 para así enviar la muestra de agua tratada al laboratorio para
medir el valor real de su concentración de NH3, teniendo la seguridad de que dicha concentración
no estará muy alejada de la especificación requerida.
10
9,5
pH
9
8,5
8
7,5
7
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Concentración de NH3 en el agua tratada (ppmp)
Figura 4.3 Tendencia entre el pH y la concentración de NH3 en el agua tratada
4.6 Jerarquización de los costos de operación de la Unidad 51
Entre los costos de los servicios necesarios para operar la Unidad 51 mostrados en la Tabla 3.2,
se puede observar que el servicio que presenta el costo más alto es el vapor de alta o HS, con un
38
precio por consumo de 13,84 $/ton (0,0138 $/kg). El costo asociado al consumo eléctrico de la
unidad está vinculado con la operación de los ventiladores del aeroenfriador 51-E2, éste no
representa un costo considerable en el sistema ya que si los ventiladores operan a su máxima
potencia, el consumo eléctrico es de 1,45 $/h, que en comparación con el costo asociado al
consumo de vapor de alta es despreciable. El costo asociado al aumento del caudal de gas
combustible ingresado al horno por razón de la humedad del gas ácido o gas de tope, es una
variable difícil de observar directamente en los valores medidos en la planta dado que dicha
variación del combustible está sujeta a diversas condiciones del sistema del horno 04-H1, como
el flujo de crudo alimentado, etc. Por ende, el costo por razón de este cambio en el caudal de gas
combustible necesario para compensar la presencia de agua en la corriente de gas ácido, se
estimó con el cambio de energía que ocurre en el agua al pasar de la temperatura de entrada de
los quemadores del horno, a la temperatura de humos del mismo, sin embargo, al igual que el
consumo eléctrico en la unidad, este costo referido al consumo extra de gas combustible no
representa un valor considerable dentro del costo operativo frente al consumo de vapor de alta.
Estimando el costo operativo de la Unidad 51, el vapor de alta representa más del 85 % del
costo total de operación, por esto, la cantidad de vapor de alta utilizado en el proceso de
despojamiento es la variable más significativa en la optimización del funcionamiento de la
Unidad 51, ya que mientras menor sea la cantidad de vapor consumido para obtener agua tratada
dentro de la especificación requerida menor será el costo total de operación de la unidad.
4.7 Simulación de la Unidad 51
Para estimar el comportamiento de la unidad de Aguas Ácidas, se construyó un modelo de
simulación de la columna de despojamiento 51-C1 en el programa de simulación de procesos
HYSYS 3.2. Para validar el modelo se utilizaron los valores de diseño de la unidad expuestos en
el manual de operación (ver Tabla 3.1).
En el simulador debe definirse el número de platos teóricos requeridos, con 11 platos teóricos
se logró ajustar de manera más adecuada los resultados de la simulación con los valores del
balance de diseño expuestos en el manual de operación de la Unidad 51. En la Figura 4.4 se
muestra la pantalla principal del modelo de simulación.
39
Figura 4.4 De la simulación de sistema de la 51-C1
El paquete termodinámico que se utilizó fue Sour Peng-Robinson (Sour PR), sugerido por el
manual de HYSYS 3.2 para trabajar con procesos que involucran agua ácida. Para simular el
despojador 51-C1, se utilizó la columna de destilación con rehervidor y condensador
predeterminada en el paquete de simulación, se eliminó el condensador de tope y se incluyó el
reflujo de enfriamiento de tope.
Para tener un estimado de la cantidad de vapor ingresado al rehervidor se colocó el
intercambiador 51-E3 aparte del rehervidor incluido en la columna de destilación. En la Figura
4.5 se muestra la pantalla de los detalles de la columna de despojamiento del simulador. En esta
figura se aprecia el reflujo de enfriamiento que se adicionó a la columna predeterminada en el
programa.
Figura 4.5 Detalle de la columna 51-C1 en la simulación
40
Para correr el modelo de simulación, era necesario especificar cuatro variables de la columna
de despojamiento para completar los grados de libertad del sistema, dos de estas siempre se
especificaban de la misma forma, el reflujo del condensador se colocaba en cero para eliminar
este equipo del modelo y la temperatura de retorno del reflujo se fijaba en 97 °C. Las otras dos
variables generalmente eran el caudal de reflujo de enfriamiento y el caudal de vapor introducido
al rehervidor, en algunos casos se cambiaba alguna de ellas por la temperatura de tope de la
columna.
4.8 Corridas de prueba
Generalmente, las corridas de prueba que se realizaron en la Unidad 51 para evaluar la
concentración de NH3 en el agua tratada bajo diferentes condiciones de operación, se guiaron por
la metodología experimental mostrada en la Figura 4.6.
Figura 4.6 Diagrama de flujo de la metodología experimental las corridas las corridas de pruebas
realizadas en la Unidad 51
CAPÍTULO 5
EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN
DE LA 51-C1
En este capítulo se exponen los análisis y las pruebas que se realizaron en la columna de
despojamiento 51-C1 para evaluar las condiciones de operación del sistema para obtener el
tratamiento requerido del agua ácida de la refinería.
Durante los ensayos, la temperatura de la alimentación de la columna de despojamiento se dejó
constante bajo el valor de diseño, 105 °C, utilizado en la unidad antes del inicio de este proyecto.
5.1 Presión de tope
Mientras menor sea la presión de tope a la que opere la columna, los componentes más
volátiles del agua ácida, NH3 y H2S, se despojarán más fácilmente, y en consecuencia, la energía
necesaria en el sistema para lograr la separación requerida, será menor.
La presión de tope más adecuada para el proceso, es la menor posible para que la cantidad de
energía invertida en el sistema sea mínima, y en consecuencia, los costos de los servicios
consumidos en la unidad sean menores. La presión de tope manométrica de diseño de la columna
es de 1,2 kg/cm2 (117,7 kPa). Por recomendación del ingeniero encargado del área de Energía de
la Refinería, la presión de tope manométrica que se evaluó para la operación de la 51-C1 es, 1,0
kg/cm2 (98,1 kPa). Este valor de presión en el tope se consideró como el más adecuado para el
proceso, ya que es la menor presión posible para operar el sistema, asegurando que los gases de
tope tengan la presión suficiente para vencer las pérdidas de la línea y del filtro de condensado
04KV-10A/B, para que lleguen a los quemadores del horno 04-H1 cumpliendo con una presión
mínima para que puedan utilizarse como combustible.
42
5.2 Vapor de alta introducido al rehervidor
El vapor de alta consumido en el rehervidor 51-D3, es la variable más significativa en la
operación de la columna de despojamiento, tanto en la parte operacional como en la económica.
Como se mencionó anteriormente, el caudal de vapor de alta que debe introducirse al sistema
se relaciona directamente con el caudal de agua ácida que ingresa a la columna. La relación de
diseño entre vapor de alta y el caudal de agua ácida alimentada (vapor/carga_alimentada) es de
174 kg_vapor/m3_alimentado. Bajo las condiciones de alimentación que típicamente opera la planta,
en promedio 25 m3/h de alimentación, la relación de diseño apuntaría a que el caudal de vapor
necesario para un despojamiento eficaz en la columna debería ser 4350 kg/h, valor que en la
operación real de la planta es un caudal excesivo que representaría un gasto innecesario en la
unidad, considerando que típicamente el caudal de vapor al que opera la planta está por debajo de
3800 kg/h.
Para determinar la relación mínima entre la carga alimentada y el vapor de alta, se evaluó en
corridas de prueba el despojamiento logrado en la unidad, ingresando diferentes caudales de
vapor en un rango aproximado de 2500-3500 kg/h, a reflujo constante, para un determinado
caudal de alimentación. El despojamiento logrado se evaluó con el rango de pH en el agua tratada
mencionado en el punto 4.3 (7,5-8,8), y con algunos análisis del laboratorio de la concentración
de NH3. En la Figura 5.1 se muestran los resultados más representativos de dichas corridas de
prueba.
5.3 Temperatura de retorno del reflujo de enfriamiento
Como se mencionó en el marco teórico, la formación de sales amoniacales en las líneas del
reflujo de enfriamiento de la unidad, depende directamente de la temperatura de la corriente de
reflujo. Los antecedentes del taponamiento de las líneas de reflujo de la 51-C1, demuestran que
operando a una temperatura de retorno de reflujo de 93 °C se promueve la formación de sales
amoniacales en el sistema.
Debido a que al inicio del presente proyecto las líneas del reflujo de tope estaban obstruidas,
para llevar a cabo las corridas de prueba en la unidad era necesario hacer un lavado de las
tuberías del circuito de reflujo de enfriamiento, sin embargo, al realizar pruebas en la unidad con
el enfriamiento del reflujo apagado, es decir, sin encender los ventiladores del aeroenfriador, la
43
temperatura de retorno del reflujo subió a 110 °C aproximadamente, operando de esta forma
varias horas en el día, las líneas de reflujo comenzaron a destaparse y el caudal máximo de
reflujo que pasaba por las líneas comenzó aumentar. Dada esta situación el valor de la
temperatura de retorno de reflujo debe ser ligeramente mayor a los 93 °C utilizados antes de dar
inicio al proyecto en cuestión. Con los ingenieros del aérea de Energía del departamento de
procesos de la Refinería, se acordó operar con una temperatura de retorno de reflujo de 97 °C. De
esta forma, se puede evaluar si a esa temperatura se continúan lavando las líneas de reflujo, y así
comprobar que a ese valor no se forman sales amoniacales.
10,0
pH del agua tratada
9,5
73,1 ppmp NH3
46,3 ppmp NH3
9,0
20,2 ppmp NH3
8,5
19,8 ppmp NH3
8,0
15,8 ppmp NH3
7,5
7,0
6,5
6,0
2400
2600
2800
3000
3200
3400
Caudal de vapor de alta (kg/h)
Figura 5.1 Relación entre el caudal de vapor de alta ingresado al rehervidor y el pH del agua
tratada a 23 m3/h de alimentación
5.4 Reflujo de enfriamiento o pump around
El reflujo límite con que la columna puede operar a un determinado caudal de vapor, está
vinculado al caudal máximo que deja pasar la válvula que controla la presión de tope de la
columna de despojamiento. La válvula de tope, 51PV-011B, está ubicada en la línea que lleva la
corriente de gas ácido a los quemadores del horno 04-H1. Bajo condiciones de operación que
produzcan caudales de gas ácido cercanos al caudal máximo que deja pasar la válvula, 1050
Nm3/h, la válvula 51PV-011B no puede controlar la presión de tope del despojador al valor
44
deseado, dado que su apertura estaría al máximo (100%) y operando en su rango superior de
apertura, la válvula no tiene posibilidad de actuar. Por ende, el reflujo de enfriamiento de la
columna debe operar en un rango mínimo determinado, en relación al vapor introducido, para que
la temperatura en las etapas de equilibrio sean tales que el caudal de gas de tope no exceda los
900 Nm3/h, para que la válvula de tope pueda controlar eficientemente la presión de tope de la
columna con un porcentaje de apertura que tenga capacidad de ajustarse a altas irregularidades o
perturbaciones en el caudal de gas ácido del sistema, máximo 85 %. En la Figura 5.2 se muestra
la relación entre el caudal de reflujo de enfriamiento y el caudal ácido producido en la columna
de despojamiento.
Caudal de gas ácido (Nm3/h)
1300
y = -38,028x + 2858,1
R² = 0,9959
1100
900
700
500
300
100
40
45
50
55
60
65
70
Caudal de reflujo (m3/h)
Figura 5.2 Relación entre el caudal de reflujo de enfriamiento y el caudal de gas ácido expelido
por el tope del despojador
En resumen, para que la columna pueda operar a presión constante, la cantidad de energía
removida en el reflujo de enfriamiento, debe regular el caudal de gas ácido a valores donde la
válvula de tope 51PV-011B, opere dentro de un rango de apertura de 40-85%. En la Figura 5.3 se
muestra la relación entre el caudal de gas ácido que produce el despojador y la apertura de la
válvula 51PV-011B.
Porcentaje de apertura de la válvula de
tope (%)
45
120
y = 0,0736x + 22,126
R² = 0,9898
100
80
60
40
20
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Caudal de gas ácido (Nm3/h)
Figura 5.3 Relación entre el caudal de gas ácido producido en el despojador y el porcentaje de
apertura de la válvula de tope 51PV-011B
5.4.1 Observaciones en las pruebas realizadas en la unidad
En las pruebas realizadas se observó que el enfriamiento de tope de la columna no influye
considerablemente en la concentración de H2S y NH3 del producto de fondo, cuando se trabaja
dentro del rango de operación de la válvula de tope 51PV-011B, entre 40-85% de su apertura. El
comportamiento esperado de la columna es el contrario, debería haber un reflujo límite donde se
condense cierta cantidad de los componentes más volátiles, y se recuperen en el fondo. Este
comportamiento inusual, se debe a que la columna está operando por debajo de su caudal mínimo
de alimentación de diseño. Dado esto, el reflujo de enfriamiento de la columna puede operar, en
un rango relativamente amplio, sin afectar la especificación del agua tratada, para un determinado
caudal de vapor. Por esto, la variable que principalmente determinará el caudal de reflujo de
enfriamiento más adecuado para el proceso, será el caudal de gas ácido con el que se desee
operar, siempre dentro del rango 250-950 Nm3/h.
5.5 Humedad del gas ácido y temperatura de tope
Como se expuso anteriormente, la concentración de agua en el gas ácido varía con el
enfriamiento de tope de la columna por medio del reflujo o pump around. Debido a que la
46
humedad del gas ácido representa un inconveniente en el sistema, y su disminución no produce
un gasto considerable en los costos operativos, la cantidad de H2O en el gas ácido más adecuada
para el proceso, es el valor mínimo posible que no comprometa otras variables del sistema. En la
Figura 5.3 se muestra la relación del caudal de reflujo de enfriamiento con el caudal de gas ácido
Porcentaje de H2O en el gas ácido (%)
producido en la columna de despojamiento.
100
95
90
85
80
75
y = -1,068x + 139,79
R² = 0,9964
70
65
60
55
50
40
45
50
55
60
65
70
Caudal de reflujo (m3/h)
Figura 5.4 Relación entre el caudal de reflujo de enfriamiento y porcentaje de agua en el gas
ácido producido en el despojador
Como se expuso en la descripción del sistema, la temperatura de tope de la columna de
despojamiento se relaciona directamente con la concentración de agua que haya en el gas ácido o
gas de tope. Por esto, la temperatura de tope más adecuada para el proceso dependerá de las
condiciones de operación de la unidad, es decir que para un determinado caudal de vapor
ingresado al sistema, la temperatura de tope dependerá de qué caudal de reflujo de enfriamiento
de fije para obtener una determinada humedad en el gas ácido producido en el despojador. En la
Figura 5.5 se presenta la relación entre el reflujo de enfriamiento y la temperatura en el tope de la
columna.
47
Figura 5.5 Relación entre el caudal de reflujo de enfriamiento y la temperatura de tope de la
columna de despojamiento
CAPÍTULO 6
CORRIDAS DE PRUEBA Y SIMULACIÓN
En este capítulo se presentan los resultados obtenidos en las corridas de prueba realizadas en la
Unidad de Aguas Ácidas y en el modelo de simulación de la columna de despojamiento 51-C1.
6.1 Relación caudal de vapor de alta/carga alimentada
Observando los resultados de las corridas de prueba mostrados en la Figura 5.1, se puede
evidenciar que el agua tratada producida en la columna de despojamiento presentó un pH por
debajo de 8,8 y concentraciones de NH3 dentro de la especificación requerida, a partir de un
caudal de vapor de alta de 3000 kg/h. Dado esto, el caudal de vapor de alta óptimo que se debe
ingresar al rehervidor 51-E3 cuando la carga alimentada es de 23 m 3/h, es de 3000 kg/h. Por lo
tanto, el vapor mínimo que se puede consumir para el rango de cargas que típicamente se
alimenta a la columna de despojamiento cumple con una relación de 130 kg de vapor de alta (HS)
por cada metro cúbico de agua ácida alimentada a la columna, es decir, que la relación
vapor/carga_alimentada óptima del sistema es aproximadamente 130 kg/m3.
Con respecto a las condiciones de diseño de la unidad, la relación vapor/carga_alimentada
hallada representa el 74,7 % de la relación de diseño (174 kg/m 3), reduciendo un 25,3 % el caudal
de vapor que se consume en el sistema por cada metro cúbico de carga alimentada a la columna.
6.2 Temperatura de retorno del reflujo de enfriamiento
La evaluación de la temperatura de retorno del reflujo acordada, 97 °C, obtuvo resultados
satisfactorios. Antes del inicio del proyecto, el reflujo máximo que se podía lograr en la columna
era 38 m3/h, cuando el caudal máximo de reflujo de diseño es 90 m3/h. Operando a 97 °C la
temperatura de retorno del reflujo de enfriamiento, las tuberías obstruidas del reflujo se limpiaron
49
gradualmente, observándose un aumento progresivo del caudal máximo que podía pasar el
reflujo, llegando a valores de hasta 67 m3/h. Empíricamente se demostró que a 97 °C las sales
amoniacales no se forman, y las ya formadas se diluyen. La temperatura de precipitación de las
sales puede ser menor de 97 °C, sin embargo, disminuir la temperatura de retorno del reflujo por
debajo de este valor no es necesario debido a que, bajo las condiciones de operación halladas, se
puede lograr el mismo cambio en el enfriamiento del sistema variando el caudal reflujado. De
esta forma, operando la temperatura de salida del aeroenfriador a 97 °C, a través del controlador
51TC-005B, se asegura que no se formarán sales amoniacales en el sistema y que no se tendrán
problemas de taponamiento en las tuberías y válvulas del despojador.
6.3 Temperatura de tope
Como se explicó en la descripción de la unidad, el agua representa más del 80 % del caudal de
gas ácido o gas de tope de la columna, por ende, la disminución de la humedad del gas ácido
producido en el despojador disminuirá considerablemente el caudal de esta corriente. Debido a
que se observó que bajo las condiciones de operación típicas del sistema, el caudal de reflujo de
enfriamiento del despojador no afecta de manera apreciable la cantidad de NH 3 y H2S en el agua
tratada, la evaluación del caudal de reflujo sólo se vinculó a la temperatura de tope de la columna,
la cual, como se explicó anteriormente, depende del porcentaje de agua del gas ácido o gas de
tope. Por acuerdo con el ingeniero encargado del área de Energía de la Refinería, la humedad del
gas ácido producido en el despojador debe ser tal, que el caudal de gas de tope producido, esté
entre 250 y 550 Nm3/h, lo que representa una apertura entre 40 y 63 % de la válvula de tope
51PV-011B (ver Figura 5.3). Bajo las condiciones de operación evaluadas en la unidad, una
temperatura de tope entre 115-116 °C asegura que se obtendrá un caudal de gas ácido o gas de
tope en un rango aproximado de 250-550 Nm3/h. Operar la unidad produciendo gas ácido menos
húmedo beneficia a las líneas del sistema y a la utilización del gas como combustible.
Para lograr obtener y mantener la temperatura de tope acordada en el despojador, se relacionó
el caudal de reflujo de enfriamiento al valor de la temperatura de tope medida. Esto se logró
implementando un nuevo lazo de control a la columna, que como se muestra en la Figura 6.1, el
transmisor 51TC-004 envía la señal del valor de la temperatura de tope de la columna al
controlador de flujo 51FC-004 que regula el caudal de reflujo de enfriamiento según sea el valor
50
de temperatura que le sea suministrado, de tal manera que si la temperatura de tope aumenta el
caudal de reflujo aumenta, y viceversa.
Figura 6.1 Nuevo lazo de control implementado a la temperatura de tope de la 51-C1 [6]
6.4 Funcionamiento de la Unidad 51
Con los datos históricos de proceso (PHD) y los resultados obtenidos en las corridas de prueba,
se construyó una gráfica que compara las concentraciones de NH3 en el agua tratada obtenidas
desde abril de 2006 hasta marzo de 2009, con las obtenidas en las corridas de prueba de la
unidad. Esta gráfica, presentada en la Figura 6.2, muestra la eficacia de las condiciones de
operación evaluadas en el despojamiento requerido del agua ácida.
En la Figura 6.2, se puede observar en primera instancia, que en el periodo de corridas de
prueba, la efectividad del proceso de despojamiento en la unidad fue de 100%, es decir, que las
condiciones de operación evaluadas en la unidad siempre cumplieron con la especificación de
agua tratada.
Aunque antes se operaba la unidad con relaciones de vapor-carga alimentada mayores a la
propuesta en este proyecto (130 kg/m3), se aprecia en la Figura 6.2 que el despojamiento en la
unidad no siempre era el adecuado. Es decir, que aunque la relación vapor-carga alimentada
propuesta de 130 kg/m3, sea menor a las que usualmente se utilizaban, el despojamiento en la
unidad mejoró debido a que en el evaluación realizada en el presente trabajo, se adecuaron las
51
condiciones del sistema para que el despojamiento en la unidad se facilite, y por ende que
requiera de menos energía para llevar a cabo el proceso. Una de estas condiciones fue la
Concentración de NH3 en el agua tratada
(ppmp)
disminución de la presión de tope a la que opera la columna.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
2006
2007
2008
2009
Fecha (año)
Datos antiguos
Datos obtenidos en las pruebas de óptimización
50 ppmp. Concentración máxima de NH3 permitada
30 ppmp. Especificación de NH3 en el agua tratada
Figura 6.2 Comparación de la concentraciones de NH3 en el agua tratada obtenidas en las
corridas de prueba con respecto a los valores de la data histórica desde abril del 2006 hasta enero
del 2009
La relación vapor/carga alimentada mínima propuesta para el proceso, se evaluó con una
concentración promedio de NH3 y H2S en el agua ácida de aproximadamente 700 y 450 ppmp,
respectivamente. Como se mencionó anteriormente, para que la relación vapor-carga alimentada
funcione en el proceso, las variaciones de composición en la alimentación de agua ácida no deben
ocasionar que el agua tratada salga de la especificación requerida. La composición de NH 3 que
usualmente presenta el agua ácida producida en los procesos de refino, es aproximadamente 700
ppmp, pero como se mostró en la Figura 4.2, la composición de NH3 de la alimentación puede
variar, en promedio, entre 500 y 1400 ppmp. Para comprobar que la relación vapor-carga
alimentada propuesta logra el despojamiento requerido, frente al rango promedio de las
52
variaciones de la composición de NH3 en la alimentación (500-1400 ppmp), se utilizó el modelo
de simulación de la 51-C1 para predecir el despojamiento que se obtendría en la unidad para
dicho rango. En la Figura 6.3 se muestra la versatilidad de las condiciones de operación
propuestas frente a las variaciones de la composición de la alimentación de agua ácida.
Concentración de NH3 en el agua
tratada (ppmp)
35
30
25
20
15
25 m3/h de carga
27 m3/h de carga
Concentración máxima de NH3 requerida para desalado
10
5
600
800
1000
1200
1400
Concentración de NH3 en el agua ácida (ppmp)
Figura 6.3 Versatilidad de la relación óptima vapor-carga alimentada frente a variaciones de
composición del agua ácida
Aunque en la simulación se variaron proporcionalmente las composiciones de NH3 y H2S en el
agua ácida, sólo se reportan los resultados del amoniaco por ser el compuesto que determina si el
agua tratada está dentro de la especificación requerida, como se explicó anteriormente. Se
simularon aumentos de la composición a partir de 700 ppmp de NH3, ya que el despojamiento de
agua ácida con composiciones menores a este valor siempre estará dentro de la especificación
requerida operando con las condiciones de operación óptimas. Las corridas se hicieron a reflujo y
relación vapor/carga alimentada constante. En la Figura 6.3 se puede observar claramente que la
relación de vapor/carga alimentada propuesta cumple con el mínimo vapor necesario para obtener
agua tratada dentro de la especificación requerida por el proceso de desalado (NH3 ≤ 30ppmp),
para todo el rango de composiciones que típicamente puede tener el agua ácida de la refinería. El
único punto que sale ligeramente de la especificación es el valor extremo de las condiciones de
53
alimentación, e inclusive bajo esas condiciones, el agua tratada se aproxima lo suficiente a la
especificación para no causar problemas en el proceso de desalado del crudo.
6.5 Condiciones de operación propuestas
Mediante el análisis de las pruebas realizadas en la Unidad 51, y de los datos obtenidos del
modelo de simulación de la columna de despojamiento 51-C1, se obtuvo que las condiciones de
operación mostradas en la Tabla 6.1 son las más adecuadas para mejorar el funcionamiento de la
unidad bajo los requerimientos descritos a lo largo de este trabajo.
Tabla 6.1 Condiciones de operación propuestas
Variable del sistema
Valor de operación
Relación Vapor/Carga_alimentada
130 kg/m3
Presión de tope manométrica
1,0 kg/cm2
(98,1 kPa)
Temperatura de tope
115-116 °C
Temperatura de retorno del reflujo
97 °C
Caudal de reflujo
ajustado a Ttope
Temperatura de alimentación
105 °C
Una vez determinadas las condiciones de operación, se llevo a cabo la completa automatización
de la Unidad 51, poniendo en funcionamiento el sistema de control de relación vapor/carga
alimentada con el valor propuesto, mostrado en la Tabla 6.1. En la Figura 6.4 se muestra el
diagrama del panel de control de la Unidad 51 después de haber automatizado la operación de la
columna de despojamiento 51-C1.
Una vez concluidas las pruebas en la Unidad de Aguas Ácidas, y operando el sistema
automatizado bajo las condiciones propuestas en este proyecto, se realizó un seguimiento del
funcionamiento de la unidad y de los productos obtenidos. En la Figura 6.5 se muestran los
resultados del tratamiento de agua ácida, para una determinada concentración de NH 3 en la
alimentación, bajo las condiciones de operación propuestas, presentadas en la Tabla 6.1.
54
Concentración de NH3 en el agua tratada
(ppmp)
Figura 6.4 Diagrama del DTI de control de la unidad automatizada una vez culminado el trabajo
35
30
25
20
15
10
5
0
400
600
800
1000
1200
1400
Concentración de NH3 en el agua ácida (ppmp)
Figura 6.5 Resultados del despojamiento de agua ácida implementando las condiciones de
operación propuestas
55
Se puede observar en la Figura 6.5 que las condiciones de operación que se determinaron como
óptimas obtuvieron un tratamiento eficiente de agua ácida, inclusive, operando en el límite
superior del rango de concentraciones de NH3 en el agua ácida, 500-1400 ppmp, se obtuvo una
especificación en el agua tratada muy aproximada al valor máximo requerido
(30 ppmp).
Las variaciones que se pueden observar en el despojamiento de NH3 para iguales
concentraciones de este compuesto en el agua ácida, se deben a perturbaciones en las condiciones
de la unidad que el sistema de control no logró regular eficientemente o a una sucesiva ocurrencia
de dichas perturbaciones.
6.6 Evaluación de la posibilidad de reducción del caudal de agua de enfriamiento en los
intercambiadores de calor 51-E4 y 51-E5
Una vez que se obtuvieron las condiciones de operación óptimas en la unidad, se analizó la
posibilidad de reducir el caudal de agua de refrigeración utilizada en los intercambiadores de
calor 51-E4 y 51-E5.
6.6.1 Intercambiador 51-E4
Este intercambiador de calor tiene una temperatura de salida de diseño de agua tratada (lado
carcasa) de 45 °C. Típicamente la temperatura a la que sale el agua tratada del intercambiador es
aproximada 40 °C. Aumentar esta condición de salida del intercambiador al valor de diseño,
implicaría una disminución en el requerimiento de caudal de agua de enfriamiento, y por ende
una disminución de costo del servicio, sin embargo, debido a que no hay un intercambio de calor
eficiente en los intercambiadores de salida del agua de desalado, hay problemas de altas
temperaturas en los efluentes aceitosos de la refinería, y por esto no es conveniente que se envíe
agua tratada a efluentes con una mayor temperatura a la que actualmente se maneja.
6.6.2 Intercambiador 51-E5
El intercambiador de calor 51-E5 disminuye la temperatura del líquido que va al recipiente de
condensado 51-D5. Este recipiente opera a presión atmosférica, por esta razón la vaporización del
condensado requiere de poca energía, es decir que se da con facilidad. Debido a esto, una
56
disminución del caudal de agua de refrigeración del intercambiador aumentaría la temperatura del
condensado y habría una cantidad de condensado que se fugaría en forma de vapor, lo cual
representa una pérdida monetaria.
6.7 Disminución de los costos de operación de la Unidad 51
Como se mencionó anteriormente el costo de operación de la Unidad 51 es casi en su totalidad
el costo de vapor de alta (HS) consumido en el rehervidor de fondo 51-E3. Por esto, la
disminución del consumo de vapor de alta, es el único cambio que puede representar un ahorro
considerable en los costos de operación de la unidad.
En la Tabla 6.2 se muestra un estimado del costo de operación de la Unidad 51, relacionado
con su consumo de vapor de alta antes y después de este trabajo. Para calcular los costos del
consumo de vapor mostrados en la Tabla 6.2, se consideró un valor promedio de alimentación al
sistema de 25 m3/h, y para el caso de la relación de vapor-carga alimentada utilizada antes del
inicio de las pruebas realizadas en este proyecto, se calculó un promedio de los valores históricos
de las relaciones vapor-carga alimentada, que obtuvieron agua tratada dentro la especificación de
regulación de contaminación ambiental (NH3 ≤ 50ppmp), desde abril de 2006 hasta principios de
enero de 2009.
Tabla 6.2 Costo estimado concerniente al vapor de alta consumido antes y después de la
optimización de la U-51 considerando 25m3/h de alimentación
Relación
(kg/m3)
Vapor de
alta (kg/h)
Costo
($/h)
Promedio de Relaciones vapor-carga
alimentada antiguas
178
4450
61,60
Relación vapor-carga alimentada óptima
130
3250
45,00
En la Tabla 6.3 se muestra el ahorro aproximado en el costo de operación de la Unidad 51 que
se genera operando con la relación vapor-carga alimentada propuesta en este proyecto.
57
Tabla 6.3 Costo estimado de operación y ahorro concerniente a la optimización de la U-51
$/h
$/día
$/año
Promedio de Relación vapor-carga
alimentada antiguas
61,60
1.478,10
539.510,90
Relación vapor-carga alimentada óptima
45,00
1.079,50
394.024,80
Ahorro
16,60
398,60
145.486,10
Un estimado del ahorro anual en costos operativos que se logra con la relación vapor/carga
alimentada propuesta, es aproximadamente de 145.486 $ (ver Figura 6.3), esto prueba la mejora
en los resultados, operando con el punto de operación hallado en comparación con respecto a las
antiguas condiciones de operación de la unidad.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Durante este proyecto se realizaron diferentes análisis del funcionamiento de la Unida de
Aguas Ácidas (U-51) de La Refinería La Pampilla, tanto de las corridas de prueba como de datos
históricos de la unidad. Las conclusiones a las cuales se llegaron en el presente proyecto se
presentan a continuación.
 La simulación de columna de despojamiento 51-C1 permitió obtener una tendencia
aproximada del comportamiento del sistema.
 El problema presentado en el reflujo de enfriamiento de la columna de despojamiento
debido a la formación de sales amoniacales, fue solventado de manera satisfactoria, ya que,
aunque no se encontró la temperatura exacta en la que se forman dichas sales, se halló una
temperatura de operación que permite un buen funcionamiento del reflujo, y asegura que estas
sales no se formarán y que las ya formadas se diluirán, mejorando así el funcionamiento sistema
y manteniendo las líneas y válvulas del reflujo en mejor estado.
 Se evaluaron satisfactoriamente los valores de las condiciones de operación que
mejoren el funcionamiento de la Unidad de Aguas Ácidas, relación vapor/carga_alimentada de
130 kg/m3, temperatura de tope entre 115-116 °C, temperatura de retorno del reflujo de 97 °C,
presión de tope manométrica de 1,0 kg/cm2 (98,1 kPa) y caudal de reflujo de enfriamiento
ajustado a la temperatura de tope.
 Una vez culminado el proyecto, la operación de la columna 51-C1 quedó
completamente automatizada.
 Mientras se mantenga el caudal y la composición de agua ácida producida en la
refinería dentro de los rangos evaluados en este proyecto, y mientras las perturbaciones que
puedan presentarse en la unidad sean rápidamente reguladas por los sistemas de control de la
misma, las condiciones de operación propuestas en el presente trabajo aseguran que se obtendrá
agua tratada dentro de la especificación requerida por el proceso de desalado del crudo
(concentración de NH3 ≤ 30 ppmp), y que además, ocasione un menor impacto ambiental al
drenarse.
 Operando la unidad con las condiciones de operación propuestas se estimó un ahorro
anual con respecto a las anteriores condiciones de operación de 145.486 $
59
 La reducción del caudal de agua de refrigeración para disminuir los costos asociados al
agua cruda utilizada en los intercambiadores 51-E4 y 51-E5 en la unidad, no es conveniente por
razones operativas.
Para mejorar y mantener el buen funcionamiento de la Unidad 51 se recomienda:
 Determinar a qué temperatura de retorno del reflujo de enfriamiento exactamente, se
comienzan a formar las sales amoniacales en el sistema.
 Para mejorar el funcionamiento de la Unidad 51 frente a las perturbaciones que se puedan
presentar, se deben sintonizar mejor los sistemas de control automático de la unidad.
 Implementar en la alimentación de la Unidad 51 un analizador de concentración de NH3.
60
REFERENCIAS
[1] http://repsol.com/es_es/todo_sobre_repsol_ypf/conocer_repsol_ypf/, consultado el 05 de
Junio de 2009.
[2] Repsol YPF, Manual de Operación de la Unidad de tratamiento de Aguas Ácidas,
2006, 68 páginas.
[3] PERRY, John H. Manual del Ingeniero Químico. 6a edición, Edit. McGraw Hill, Mexico,
1992.
[4] http://books.google.co.ve/books?id=jUlVFVrLhvoC&pg=PA75&lpg=PA75&dq=sour+wat
er+stripper+plugging+problems&source=bl&ots=owX63iuxRt&sig=JLwTlFSRRmpfpa8U
ShZ2N7b0j3o&hl=es&ei=YOAxStrNDIqNtgez72pCQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=7, consultado el 9 de Octubre de 2008.
[5] http://www.gewater.com/industries/refining_fuel/refining/fouling_control.jsp, consultado el
9 de Octubre de 2008.
[6] Repsol YPF, Refinería La Pampilla, DTI de la Unidad de Aguas Ácidas.