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Diapositiva 1coquización retardada
N. Pérez
G. Rincón
Y. García
J. Santos
Presentado por
Gladys Rincon
Universidad Simón Bolívar
Universidad Simón Bolívar
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR
Las plantas pilotos son instalaciones experimentales de dimensiones comprendidas entre aparatos de laboratorio y plantas comerciales, conformadas por una secuencia de equipos, instrumentos, accesorios y líneas, dispuestos en forma lógica para reproducir un determinado proceso
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
Palluzi [1999] define plantas piloto como una instalación experimental de dimensiones comprendidas entre aparatos de laboratorio y plantas comerciales, conformada por una secuencia de equipos, instrumentos, accesorios y líneas, dispuestos en forma lógica para reproducir un determinado proceso.
La capacidad de una planta industrial se establece en términos de los productos principales y se refiere a la capacidad productiva de la instalación. Esta se representa como la cantidad total de producto, o alimentación por unidad de tiempo si el proceso es continuo; o como la cantidad producida, o alimentada, por ciclo de operación, si el proceso es tipo bach. La capacidad se establece bajo criterios tales como: demanda y oferta, restricciones técnicas, disposición de materias primas o insumos, rentabilidad, restricciones financieras, limitaciones de espacio, etc.
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La capacidad de una planta industrial se establece en base a criterios como:
demanda y oferta,
rentabilidad,
coquización retardada
La capacidad de una planta industrial se establece en términos de los productos principales y se refiere a la capacidad productiva de la instalación. Esta se representa como la cantidad total de producto, o alimentación por unidad de tiempo si el proceso es continuo; o como la cantidad producida, o alimentada, por ciclo de operación, si el proceso es tipo bach. La capacidad se establece bajo criterios tales como: demanda y oferta, restricciones técnicas, disposición de materias primas o insumos, rentabilidad, restricciones financieras, limitaciones de espacio, etc.
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El objetivo de una planta piloto es generar información para ampliar conocimientos relativos al diseño y operación de una planta comercial.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
La capacidad de una planta industrial se establece en términos de los productos principales y se refiere a la capacidad productiva de la instalación. Esta se representa como la cantidad total de producto, o alimentación por unidad de tiempo si el proceso es continuo; o como la cantidad producida, o alimentada, por ciclo de operación, si el proceso es tipo bach. La capacidad se establece bajo criterios tales como: demanda y oferta, restricciones técnicas, disposición de materias primas o insumos, rentabilidad, restricciones financieras, limitaciones de espacio, etc.
La capacidad de plantas piloto no se establece en base a estos criterios, ya que su fin no es producir un producto para satisfacer un mercado, sino generar información para ampliar conocimientos (know-how) relativos al diseño y operación de una planta comercial [Palluzi,1999]. Ahora independientemente del tipo de planta, la capacidad define el tamaño y costo de los equipos, y los requerimientos tanto de materia prima como de servicios.
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¿Cómo establecer la capacidad de una planta piloto que reproduce un proceso que ya existe industrialmente ?
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
En este caso el problema es reducir desde miles de toneladas a unos pocos kilos
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Definición de Bases de Diseño
Relación de condiciones de operación y lo que se desea reproducir Condiciones y características de materia primas y productos.
Limites de capacidad
Lista de parámetro a reproducir
Generación del DBP de la planta piloto
DBP
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PASO 1. Formulación del objetivo.
los objetivos se formulan para dar respuesta a la información requerida para el diseño u operación de la planta industrial.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 1. Formulación del objetivo. Las plantas pilotos generan conocimientos para el diseño u operación de la planta industrial, los objetivos se formulan para dar respuesta a la información requerida. Además, el diseño de una planta piloto que existe y opera industrialmente se hace con el objeto de reproducir el comportamientote de una sección del la planta bajo un modo de operación o el impacto de ciertas variables de operación sobre la calidad de los productos o medir el efecto de un cambio de carga. La disponibilidad económica para la realización del proyecto es otro de los puntos a considerar en la definición de objetivos.
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Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y lo que se va a reproducir.
Identificar las propiedades de los productos que se van a reproducir;
Estudiar el proceso industrial para identificar las variables de operación que tienen mayor impacto sobre lo que se va a reproducir, se desechan aquellas que no lo afectan.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 2. Definición de las Bases de Diseño. Este paso es relativo a:
Relación entre condiciones de operación y lo que se va a reproducir. Para establecer esta relación se proponen las siguientes actividades: 1) identificar las características de los productos que se van a reproducir; 2) estudiar el proceso industrial para identificar las variables de operación que tienen mayor impacto sobre lo que se va a reproducir, se desechan aquellas que no lo afectan.
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Condiciones y características de materia prima, productos y rendimiento.
El diseño de la planta piloto se realiza sobre la base de que la materia prima y los productos son equivalentes a los del proceso industrial.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 2. Definición de las Bases de Diseño. Este paso es relativo a:
condiciones y características de materia prima y productos. Se debe realizar un estudio sobre las características y condiciones de materia prima, productos y rendimientos del proceso industrial. El diseño de la planta piloto se realiza sobre la base de que la materia prima y los productos son equivalentes a los del proceso industrial.
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Limites de capacidad.
capacidad máxima. Lo más pequeña posible tomando en cuenta tres aspectos:
limitaciones de materia prima;
coquización retardada
PASO 3. Limites de capacidad. La capacidad de la planta piloto está limitada en un rango donde se garantiza el cumplimiento de los objetivos establecidos y, las restricciones técnicas y operacionales.
capacidad máxima. La planta debe ser lo más pequeña posible tomando en cuenta tres aspectos: 1) limitaciones en suministro de materia prima; 2) disposición de desechos, tomando en cuenta que los producto de una planta piloto una vez estudiados se convierte en desecho del cual se debe disponer; 3) costos mínimos de inversión inicial.
capacidad mínima. La planta debe ser lo suficientemente grande como para asegurar: 1) cantidad requerida en las muestras ha emplear en las pruebas de laboratorio; 2) velocidades mínimas en equipos y tuberías; 3) minimizar costos iniciales de inversión tomando en cuenta que los costos de equipos pequeños se incrementan como consecuencia de la dificultad en su construcción.
Se recomienda diseñar para la capacidad mínima posible, prestando especial interés a las limitaciones operacionales y al impacto del tamaño sobre el costo de los equipos.
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capacidad mínima. lo suficientemente grande como para asegurar:
cantidad requerida en las pruebas de laboratorio;
velocidades mínimas equipos y tuberías;
minimizar costos iniciales de inversión
Se recomienda diseñar para la capacidad mínima posible
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 3. Limites de capacidad. La capacidad de la planta piloto está limitada en un rango donde se garantiza el cumplimiento de los objetivos establecidos y, las restricciones técnicas y operacionales.
capacidad máxima. La planta debe ser lo más pequeña posible tomando en cuenta tres aspectos: 1) limitaciones en suministro de materia prima; 2) disposición de desechos, tomando en cuenta que los producto de una planta piloto una vez estudiados se convierte en desecho del cual se debe disponer; 3) costos mínimos de inversión inicial.
capacidad mínima. La planta debe ser lo suficientemente grande como para asegurar: 1) cantidad requerida en las muestras ha emplear en las pruebas de laboratorio; 2) velocidades mínimas en equipos y tuberías; 3) minimizar costos iniciales de inversión tomando en cuenta que los costos de equipos pequeños se incrementan como consecuencia de la dificultad en su construcción.
Se recomienda diseñar para la capacidad mínima posible, prestando especial interés a las limitaciones operacionales y al impacto del tamaño sobre el costo de los equipos.
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¿ Cuáles son los parámetros de operación a reproducir ?
Se deben seleccionar cuáles son los parámetros de operación que tienen mayor impacto sobre lo que se desea reproducir. La capacidad de la planta piloto queda restringida por las limitaciones impuestas por los parámetros de operación.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 4. ¿Cuáles son los parámetros de operación a reproducir? Cuando se diseña una planta piloto a partir de un proceso industrial existente, la escala de operación se reduce desde miles de toneladas a unos pocos kilos. Esta reducción drástica dificulta la reproducción de todos los parámetros de operación del proceso industrial. Se deben seleccionar cuáles son los parámetros de operación que tienen mayor impacto sobre lo que se desea reproducir. La capacidad de la planta piloto queda restringida por las limitaciones impuestas por los parámetros de operación.
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Generación del PFD de la planta piloto.
La formulación de objetivos obliga potencialmente a rediseñar el DBP ajustándose a los objetivos establecidos.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 5. Generación del PFD de la planta piloto. Aun cuando se dispone del DBP del proceso industrial. lLa formulacion de objetivos obliga potencialmente a rediseñar un DBP ajustandose a los objetivos. Este DBP usa como insumo el DBP del proceso industrial.
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Estableciendo la capacidad de diseño.
Con la información recopilada en los pasos anteriores y los balances de masa se establece la capacidad de diseño de una planta piloto que reproduce parcialmente o totalmente un proceso existente.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 6. Estableciendo la capacidad de diseño. Con la información recopilada en los pasos anteriores y los balances de masa se puede establecer la capacidad de diseño de una planta piloto que reproduce parcialmente o totalmente un proceso existente.
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DFP: Coquización Retardada a nivel Industrial
La Delayed Coking (DC) es un proceso semicontinuo de conversión profunda donde cargas, residuos de vació y residual, son sometidas a un craqueo térmico.
La figura 1 muestra el diagrama de flujo de proceso de una unidad convencional, a nivel industrial, de DC, donde la alimentación fresca, caliente y liquida, se alimenta al fondo del fraccionador, por encima de la zona de retorno de los gases calientes del tambor de coque.
El crudo residual es bombeado desde el fondo del fraccionador hasta los tambores de coque, a través del horno a alta velocidad; donde es parcialmente vaporizado.
La fracción no vaporizada decanta en los tambores de coque por efecto de las variables de operación tiempo de residencia, temperatura y presión, generando la formación de coque retardado.
La fracción vaporizada, constituida básicamente por gas, nafta y gasóleos, productos de las reacciones de craqueo térmico, retorna al fraccionador desde el tope del tambor de coque.
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El coque retardado producto del crudo venezolano es excesivamente duro y difícil de remover con el equipo de decoquizacion hidráulica.
EL Laboratorio de Carbón y Residuos Pesados de la Universidad Simón Bolívar, fiel al objetivo de prestar soporte técnico a la industria y en su empeño por dar soluciones sustentables al coque retardado, plantea la conceptualización, diseño y construcción de una planta piloto de coquización retardada (PPCR), que reproduzca la calidad del coque retardado que se produce a partir de crudo venezolano.
Estableciendo capacidad de PPCR
Autores como [Elliot,1996] y [Rodríguez-Reinoso,1998] probaron que la calidad de este coque es función de las características de la alimentación, y las condiciones de presión, temperatura y tiempo de residencia en el tambor de coquización. Manipulando dos variables de operación en el tambor de coquización como por ejemplo temperatura y presión, es factible modificar las características del coque [Rodríguez-Reinoso; 1998].
De acuerdo a la experiencia venezolana este tipo de coque es excesivamente duro, difícil de remover con el equipo de decoquizacion hidráulica [Ventura, 1992]. Esta característica ha ocasionando problemas operacionales durante la descarga de los tambores de coquización, ya que. es excesivamente duro y difícil de remover con el equipo de decoquización hidráulico [Ventura, 1992]. Ante esta problemática, el Laboratorio de Carbón y Residuos Pesados de la Universidad Simón Bolívar (Venezuela), fiel al objetivo de prestar soporte técnico a la industria nacional y en su empeño por dar soluciones sustentables al coque producido en las refinerías y mejoradoras venezolanas, plantea la conceptualización, diseño y construcción de una planta a escala piloto de CR, que reproduzca la calidad del coque retardado que se produce a partir de crudo venezolano.
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Process Improvement Engineering [Lieberman, 1986];
Universidad de Milano [Del Bianco, 1993];
Universidad de Trondheim [Blekkan, 1992];
El instituto de Investigación Aplicada de Pittsburg [Rodríguez, 1994];
PDVSA-Intevep [Layrisse, 1998];
Estableciendo capacidad de PPCR
En el ámbito mundial se conoce de la existencia de diferentes Plantas Pilotos de Coquización Retardada (PP-CR) en el ámbito mundial como: Great Lakes Carbon [Ellis y Hardin, 1993]; Process Improvement Engineering [Lieberman, 1986]; Universidad de Milano [Del Bianco, 1993]; Universidad de Trondheim [Blekkan, 1992]; El instituto de Investigación Aplicada de Pittsburg [Rodríguez, 1994]; PDVSA-Intevep [Layrisse, 1998]; entre otras. Algunas de estas plantas pilotos estudian el rendimiento de los livianos y otras el comportamiento del coque.
Los investigadores en la primera fase del trabajo propone un método para establecer los criterios que definan la capacidad de una planta piloto de un proceso que existe industrialmente. Este metodo fue probado para el caso de una PP-CR que reproduce la calidad del coque retardado producido a partir de crudo venezolano.
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Se definió la capacidad de la PPCR como la cantidad de COQUE RETARDADO producido POR CICLO de operación
Estableciendo capacidad de PPCR
PASO 1. Formulación del objetivo.
Construir una PPCR que reproduzca la calidad de coque retardado que se produce a partir de crudos venezolanos.
Este proyecto maneja un financiamiento mínimo.
Estableciendo capacidad de PPCR
PASO 1. Formulación de los objetivos. La PP-CR tiene como objetivo brindar apoyo técnico a la industria petrolera, para aportar soluciones a los problemas del coque retardado que enfrentan refinerias y mejoradoras en la operación de las unidades de CR existentes . Por lo expuesto se propone construir una PP-CR que reproduzca la calidad de coque retardado que se produce a partir de crudos venezolanos. Este proyecto maneja un financiamiento reducido, que se debe tomar en cuanta en la toma de decisiones durante la fase de diseño.
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Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y lo que se va a reproducir.
La PPCR reproducirá las características del coque retardado requeridas para su comercialización, las cuales son:
El contenido de azufre y metales lo establece el contenido de los mismos en la alimentación.
Estableciendo capacidad de PPCR
PASO 2. Definición de Bases de Diseño. En este paso toma en cuenta:
Relación entre condiciones de operación y lo que se va a reproducir.
La PP-CR reproducirá las características del coque retardado requerido para su comercialización, las cuales son: volumen de diámetro y poro, área superficial, Hardgrove Grindability Index - HGI ; Contenido de material volatil Volatile Carbon Matter - VCM; características microestructurales; y contenido de azufre y de metales pesados.
El contenido de azufre y metales en el coque retardado queda establecido por el contenido de los mismos en la alimentación.
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Para una alimentación dada, la presión y la relación de reciclo del tambor de coquización, y la temperatura de salida del horno determinan la calidad y rendimiento del coque retardado.
PASO 2.
Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y
lo que se va a reproducir.
Para una alimentación dada, la presión y la relación de reciclo del tambor de coquización, y la temperatura de salida del horno determinan la calidad y rendimiento del coque retardado [Elliot, 1991].
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Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y
lo que se va a reproducir.
Presión del tambor de coquización: A temperatura y relación de reciclo constantes, al aumentar la presión del tambor los hidrocarburos pesados quedan retenidos en él. Esto se traduce en un aumento en el rendimiento de coque y un ligero aumento en la cantidad de gases.
Relación de reciclo del proceso: La relación de reciclo tiene el mismo efecto que el de la presión en el rendimiento de los productos.
Temperatura del tambor de coquización: A presión y relación de reciclo constantes, el rendimiento de coque disminuye al aumentar la temperatura de salida de los tambores.
A continuación se explica de forma sucinta el efecto de estas condiciones de operación sobre el coque retardado:
Presión del tambor de coquización: Si la temperatura y relación de reciclo son constantes, al aumentar la presión del tambor la mayoría de los hidrocarburos pesados quedan retenidos en el tambor. Esto se traduce en un aumento en el rendimiento de coque y un ligero aumento en la cantidad de gases [Rodríguez -Reinoso,1998].
Relación de reciclo del proceso: La relación de reciclo tiene el mismo efecto que la presión en el rendimiento de los productos. El reciclo además afecta la viscosidad de la alimentación al proceso, lo que influye directamente en la fluidodinámica y la transferencia de calor.
Temperatura del tambor de coquización: Si la presión y la relación de reciclo en los tambores son constantes, el rendimiento de coque disminuye al aumentar la temperatura de salida de los tambores [Rodríguez-Reinoso, 1998]. Como un ejemplo de la influencia de la temperatura sobre la calidad del coque retardado, se tiene que a bajas temperaturas la reacción de craqueo no ocurre completamente, por lo cual se forma un coque con alto VCM. Para temperaturas elevadas el coque retardado es excesivamente duro y difícil de remover de los tambores con el equipo de decoquización hidráulico.
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Volatile Matter (VM)
Increase Pressure
Unknown influence
Increase Recycle
Condiciones y características de materia prima, productos y rendimiento.
Global Properties
0.000017
Ethylene
0.00013
Dodecane
0.13
Resin
0
Ethane
0.0027
Trydecane
0.14
Saturated
0
Propane
0.0035
Tetradecane
0.15
Aromatic
0
Butane
0.002
Benzene
0.051
Naphtenic
0
Pentane
0.0012
Toluene
0.061
Hexane
0.00048
Cyclohexane
0.024
PASO 2. Definición de las Bases de Diseño. Este paso es relativo a:
condiciones y características de materia prima y productos. Los datos sobre componentes y composición que se utilizaron para los balances de masa que establecen la capacidad de la planta piloto, se generaron con base en unidades industriales de DC existentes que procesan crudos venezolanos.
Para la corriente de residual (Figura 1) se considera una buena suposición que sus componentes son los mismos del residuo de vacío obtenido industrialmente a partir de crudos venezolanos.
Para los gases de salida del tope del tambor de coquización (corriente XX, Figura 1), se emplearon valores promedios de de composicion y de rendimientos de esta corriente a nivel industrial (ver Tabla 2).
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capacidad máxima. 23 Kg coque retardado por ciclo
capacidad mínima. 5 Kg coque retardado por ciclo
La capacidad mínima debe garantizar una velocidad lineal de: líquidos 1m/s y gases 4m/s.
Existe un compromiso entre la capacidad, la inversión inicial y las restricciones impuestas por los parámetros de operación
PASO 3.
Limites de capacidad.
capacidad maxima. La capacidad máxima esta limitada por el hecho de que la alimentación al proceso debe ser suministrada por la industria petrolera y la disposición de los desechos (coque retardado, naftas, gasóleos y gases) una vez realizadas las pruebas de laboratorio, y durante la operación de la planta. En base a estos criterios se determino el límite superior del rango de capacidad en XX Kg/ciclo.
capacidad minima. El límite inferior de la PP-CR queda definido por la cantidad necesaria de coque para llevar a cabo todas las pruebas de laboratorio que permiten caracterizar el coque retardado. Se seleccionaron las pruebas de laboratorio tomando en cuenta la relación entre las variables de operación y las características del coque retardado que se desean reproducir (ver Tabla 2), las cuales son: Hardgrove Grindability Index - HGI; Volatile Carbon Matter – VCM, Calorimetría diferencial de barrido (DSC), Optic Text Index (OTI), Dureza vikers en coque, ataque con plasma, difracción de rayos X y contenido de cenizas. Para llevar a cabo las 9 pruebas de laboratorio se requiere 5kg de coque retardado, lo cual representa la capacidad mínima.
La capacidad mínima debe garantizar al menos una velocidad lineal para líquidos de 1m/s y para gases de 4m/s.
La capacidad de la planta establece los costos de inversión inicial,
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PASO 4.
¿ Cuáles son los parámetros de operación a reproducir ?
La respuesta a esta pregunta requiere analizar el efecto de los siguientes parámetros sobre el coque retardado: velocidad de ascenso dentro del tambor: La fluidodinámica dentro del tambor de coquización está representada por la velocidad superficial de ascenso de los vapores dentro del mismo. Esta velocidad depende de la relación entre la densidad del gas dentro del tambor y la densidad de la alimentación al tambor, y debe ser la máxima posible sin que ocurra arrastre. Para que no haya arrastre la velocidad de ascenso debe estar entre 0,0762-0,1524m/s [Hecks, 1972].
Se propone un procedimiento de calculo donde se garantiza que la velocidad de ascenso este restringida a los límites expuestos. Este procedimiento calcula la relación largo /diámetro (L/D) del tambor de coquización, para diferentes masas de coque retardado producido por ciclo. Se supone la geometría del tambor como un tubo cilíndrico en cuya parte superior se encuentra una semiesfera.
El resultado de este procedimiento de cálculo se muestra en la Figura 2, donde se representa la relación L/D del tambor y la cantidad de masa coque retardado producida por ciclo para tres valores de velocidad de ascenso, que garantizan la reproducibilidad de la fluidodinámica dentro del tambor de coquización. La velocidad de ascenso máxima corresponde a 0,1524m/s, la mínima a 0,0762 m/s y la promedio se calculó como el promedio aritmético de las velocidades máximos y mínimos (0,1143m/s).
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condición adiabática del tambor
Para reproducir las características del coque retardado es fundamental reproducir el perfil térmico dentro del tambor, por lo tanto el tambor debe operar de forma adiabática.
Capacidad de al menos 4 kg coque retardado/ciclo.
La capacidad mínima está definida por la cantidad de coque requerido por las pruebas de laboratorio.
condición adiabática del tambor: Para reproducir las características del coque retardado es fundamental reproducir el perfil térmico dentro del tambor. Por lo tanto el tambor debe operar de forma adiabática. De experiencias anteriores en plantas pilotos, se conoce que mientras menor sea la dimensión de los equipos, mayor será la dificultad para operar en forma adiabática. Investigaciones previas reportadas en la bibliografía [ELLIS y HARDIN, 1993], [LAYRISSE, 1998] establecen que las condiciones adiabáticas en el tambor de coquización requiere una capacidad de al menos una 4 kg/ciclo de coque. Por lo tanto la capacidad minima esta definida por la cantidad de coque requerido por las pruebas de laboratorio.
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tiempo de llenado del tambor de coquización
Tiempo de llenado de aproximadamente 6 horas
Para una velocidad de ascenso constante se debe establecer una altura`(L) del tambor que permita alcanzar el tiempo de llenado.
Al establecer L, el diámetro (D) y la cantidad de coque retardado por ciclo son fijos
tiempo de llenado: Se requiere de un tiempo de llenado del tambor de coquización de aproximadamente 6 horas, para garantizar que se lleven a cabo las reacciones dentro del tambor y se obtengan los rendimientos requeridos [Rodríguez-Reinoso, 1998]. Para una velocidad de ascenso constante se debe establecer una altura`(L) del tambor que permita alcanzar el tiempo de llenado. Se debe recordar que al establecer la altura del tambor, el diámetro y la cantidad de coque retardado por ciclo son fijos (Figura 2).
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operabilidad
Mientras menor sea la capacidad menor serán las dimensiones de los equipos, aumentando los problemas operacionales por depósitos de coque en tuberías, accesorios y equipos.
Para evitar la deposición de coque la velocidad en todas las líneas debe ser superior a la mínima.
Líquidos 1m/s - Gases 4m/s
operabilidad: Para garantizar la operabilidad de la PP-CR se debe tomar en cuenta que mientras menor sea la capacidad menor serán las dimensiones de los equipos, a expensas de que aumente la tendencia a problemas operacionales por depósitos de coque en tuberías, accesorios y equipos. Este aspecto se debe de tomar en cuanta al momento de diseñar una unidad de CR en cualquier escala, ya que las plantas industriales enfrentan problemas similares. Para evitar la deposición de coque la velocidad en todas las lineas debe ser superior a la mínima.
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Desechos generados
Mientras mayor sea la capacidad de la planta mayor será la cantidad de desechos generados.
Capacidad de al menos 23kg coque retardado/ciclo.
desechos generados: Mientras mayor sea la capacidad de la planta mayor será la cantidad de desechos generados. El coque y los líquidos una vez analizados pasan a ser desechos los cuales se deben disponer según una buena práctica de disposición de desechos, basadas en leyes ambiemtales. Se estima que el volumen de desecho esta limitado a un maximo de 15 galones.
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Generación del PFD de la planta piloto
Una PPCR no puede reproducir en simultaneo las características del coque y el rendimiento de líquidos. Como en este caso solo se desea reproducir la calidad del coque, la planta piloto incluye una fraccionadora que solo sepra gases de liquidos. El PFD propuesto para la DCPP se muestra en la Figura 3 .
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la velocidad debe ser mayor a la mínima;
la velocidad de ascenso se toma como la velocidad de ascenso promedio,
la relación de reciclo es de 20/80.
Relación de reciclo: cantidad de gasóleo producido por ciclo con respecto al total recirculado.
PASO 6.
Estableciendo la capacidad de diseño.
El balance de masa de DCPP se desarrolló usando el el método de seudo-componentes para caracterizar la alimentación a una PP-CR (Figura 3, corriente xx). La corriente de gas saliendo del tambor del coquización (corriente x) se caracterizo usando los valores mostrados en la Tabla 2. El resto de las corrientes del DFP se calcularon a partir de balances de masa en cada uno de los equipos. El cálculo de las propiedades y características de los componentes que conforman cada una de las mezclas se realizó empleando simuladores comerciales y datos experimentales obtenidos en la bibliografía para sustancias similares.
El cálculo de la capacidad se basó en las siguientes premisas: 1) la velocidad debe ser mayor a la mínima; 2) la velocidad de ascenso se toma como la velocidad de ascenso promedio, 3) la relación de reciclo es de 20/80, valor sugerido por Elliot [1991] para unidades de CR a pequeña escala. La relación de reciclo se define como la cantidad de gasóleo producido por el proceso con respecto al total recirculado de la misma mezcla.
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Se supone la cantidad de coque retardado por ciclo
Se supone el diámetro de todas las líneas del DFP. Los valores de los diámetros corresponden a D comerciales.
Se realizan los BM. Para el tambor de coquización se utilizó la figura que establece la relación de L/D.
Se calculó el caudal en cada tubería.
Se calculó la velocidad lineal de cada tubería.
El cálculo iterativo se detiene cuando la velocidad lineal de todas las tuberías es mayor o igual a las velocidades mínimas.
Una vez detenido el cálculo se estable que la cantidad supuesta de coque retardado a producir es la capacidad de diseño PPCR
PASO 6.
A continuación se expone el procedimiento iterativo propuesto:
Se supone la cantidad de coque retardado por ciclo
Se supone el diámetro de todas las líneas mostradas en la Figura 3. Los valores de los diámetros utilizados corresponden a diámetros de tuberías comerciales.
Se realizan los balances de masa de la planta. Este calculo establece la masa de cada componente en cada corriente. Para el caso del balance del tambor de coquización se utilizó la Figura 2 para establecer la relación de L/D.
Se calculó el caudal en cada tubería.
Se calculó la velocidad lineal de cada tubería.
El cálculo iterativo se detiene cuando la velocidad lineal de todas las tuberías es mayor o igual a la velocidad mínima establecida.
Una vez detenido el calculo se estable que la cantidad supuesta de coque retardado a producir es la capacidad de diseño de la planta piloto.
En este caso la capacidad de la PP-CR resulto de 10,5 Kg, y la relacion L/D de 8,3 .
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CONCLUSIONS
El método propuesto garantiza establecer la capacidad de una planta piloto de un proceso industrial. Este método se probó para establecer la capacidad de una PPCR que reproduce la calidad del coque venezolano.
La capacidad PPCR es
10,5Kg coque retardado /ciclo
CONCLUSIONES
By applying the proposed method, it can be established the capacity of a pilot plant capable of reproducing product quality of an industrial plant. Applying the proposed method to this case study, it can be guaranty that delayed coking pilot plant capacity of 10.5 kg with 8.3 L/D ratio is capable to reproduce Venezuelan petroleum coke quality.
The major problem to establish the capacity of a pilot plant that reproduces product quality of an industrial plant was selection of operational parameters to be reproduced to guarantee the fulfillment of objectives. In this case study, the conclusion was that to reproduce petroleum coke quality, it is necessary to faithfully reproduce the fluid dynamics, filling time, and the coke drum adiabatic condition.
Continuing studies will establish optimum capacity, based on technical and economic constraints, considering the impact of construction cost of small equipment.
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CONCLUSIONS
La mayor dificultad para establecer la capacidad de una planta piloto de un proceso industrial, radica en seleccionar cuáles parámetros de operación se deben reproducir.
Para la PPCR se estableció que para reproducir la calidad del coque retardado es necesario reproducir la fluidodinámica, el tiempo de llenado y la condición adiabática del tambor de coquización.
Se recomienda hacer un estudio detallado que establezca la capacidad mínima óptima, basado tanto en los aspectos técnicos como en el incremento de los costos de construcción de equipos muy pequeños.
CONCLUSIONES
By applying the proposed method, it can be established the capacity of a pilot plant capable of reproducing product quality of an industrial plant. Applying the proposed method to this case study, it can be guaranty that delayed coking pilot plant capacity of 10.5 kg with 8.3 L/D ratio is capable to reproduce Venezuelan petroleum coke quality.
The major problem to establish the capacity of a pilot plant that reproduces product quality of an industrial plant was selection of operational parameters to be reproduced to guarantee the fulfillment of objectives. In this case study, the conclusion was that to reproduce petroleum coke quality, it is necessary to faithfully reproduce the fluid dynamics, filling time, and the coke drum adiabatic condition.
Continuing studies will establish optimum capacity, based on technical and economic constraints, considering the impact of construction cost of small equipment.
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GRACIAS
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12
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16
18
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Delayed Coking masses per cycle (Kg)
Length/Diameter ratio (L/D)
Minimum riser velocity
Mean riser velocity
Maximum riser velocity
N. Pérez
G. Rincón
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Presentado por
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Las plantas pilotos son instalaciones experimentales de dimensiones comprendidas entre aparatos de laboratorio y plantas comerciales, conformadas por una secuencia de equipos, instrumentos, accesorios y líneas, dispuestos en forma lógica para reproducir un determinado proceso
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
Palluzi [1999] define plantas piloto como una instalación experimental de dimensiones comprendidas entre aparatos de laboratorio y plantas comerciales, conformada por una secuencia de equipos, instrumentos, accesorios y líneas, dispuestos en forma lógica para reproducir un determinado proceso.
La capacidad de una planta industrial se establece en términos de los productos principales y se refiere a la capacidad productiva de la instalación. Esta se representa como la cantidad total de producto, o alimentación por unidad de tiempo si el proceso es continuo; o como la cantidad producida, o alimentada, por ciclo de operación, si el proceso es tipo bach. La capacidad se establece bajo criterios tales como: demanda y oferta, restricciones técnicas, disposición de materias primas o insumos, rentabilidad, restricciones financieras, limitaciones de espacio, etc.
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La capacidad de una planta industrial se establece en base a criterios como:
demanda y oferta,
rentabilidad,
coquización retardada
La capacidad de una planta industrial se establece en términos de los productos principales y se refiere a la capacidad productiva de la instalación. Esta se representa como la cantidad total de producto, o alimentación por unidad de tiempo si el proceso es continuo; o como la cantidad producida, o alimentada, por ciclo de operación, si el proceso es tipo bach. La capacidad se establece bajo criterios tales como: demanda y oferta, restricciones técnicas, disposición de materias primas o insumos, rentabilidad, restricciones financieras, limitaciones de espacio, etc.
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El objetivo de una planta piloto es generar información para ampliar conocimientos relativos al diseño y operación de una planta comercial.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
La capacidad de una planta industrial se establece en términos de los productos principales y se refiere a la capacidad productiva de la instalación. Esta se representa como la cantidad total de producto, o alimentación por unidad de tiempo si el proceso es continuo; o como la cantidad producida, o alimentada, por ciclo de operación, si el proceso es tipo bach. La capacidad se establece bajo criterios tales como: demanda y oferta, restricciones técnicas, disposición de materias primas o insumos, rentabilidad, restricciones financieras, limitaciones de espacio, etc.
La capacidad de plantas piloto no se establece en base a estos criterios, ya que su fin no es producir un producto para satisfacer un mercado, sino generar información para ampliar conocimientos (know-how) relativos al diseño y operación de una planta comercial [Palluzi,1999]. Ahora independientemente del tipo de planta, la capacidad define el tamaño y costo de los equipos, y los requerimientos tanto de materia prima como de servicios.
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¿Cómo establecer la capacidad de una planta piloto que reproduce un proceso que ya existe industrialmente ?
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
En este caso el problema es reducir desde miles de toneladas a unos pocos kilos
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Definición de Bases de Diseño
Relación de condiciones de operación y lo que se desea reproducir Condiciones y características de materia primas y productos.
Limites de capacidad
Lista de parámetro a reproducir
Generación del DBP de la planta piloto
DBP
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PASO 1. Formulación del objetivo.
los objetivos se formulan para dar respuesta a la información requerida para el diseño u operación de la planta industrial.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 1. Formulación del objetivo. Las plantas pilotos generan conocimientos para el diseño u operación de la planta industrial, los objetivos se formulan para dar respuesta a la información requerida. Además, el diseño de una planta piloto que existe y opera industrialmente se hace con el objeto de reproducir el comportamientote de una sección del la planta bajo un modo de operación o el impacto de ciertas variables de operación sobre la calidad de los productos o medir el efecto de un cambio de carga. La disponibilidad económica para la realización del proyecto es otro de los puntos a considerar en la definición de objetivos.
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Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y lo que se va a reproducir.
Identificar las propiedades de los productos que se van a reproducir;
Estudiar el proceso industrial para identificar las variables de operación que tienen mayor impacto sobre lo que se va a reproducir, se desechan aquellas que no lo afectan.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 2. Definición de las Bases de Diseño. Este paso es relativo a:
Relación entre condiciones de operación y lo que se va a reproducir. Para establecer esta relación se proponen las siguientes actividades: 1) identificar las características de los productos que se van a reproducir; 2) estudiar el proceso industrial para identificar las variables de operación que tienen mayor impacto sobre lo que se va a reproducir, se desechan aquellas que no lo afectan.
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Condiciones y características de materia prima, productos y rendimiento.
El diseño de la planta piloto se realiza sobre la base de que la materia prima y los productos son equivalentes a los del proceso industrial.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 2. Definición de las Bases de Diseño. Este paso es relativo a:
condiciones y características de materia prima y productos. Se debe realizar un estudio sobre las características y condiciones de materia prima, productos y rendimientos del proceso industrial. El diseño de la planta piloto se realiza sobre la base de que la materia prima y los productos son equivalentes a los del proceso industrial.
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Limites de capacidad.
capacidad máxima. Lo más pequeña posible tomando en cuenta tres aspectos:
limitaciones de materia prima;
coquización retardada
PASO 3. Limites de capacidad. La capacidad de la planta piloto está limitada en un rango donde se garantiza el cumplimiento de los objetivos establecidos y, las restricciones técnicas y operacionales.
capacidad máxima. La planta debe ser lo más pequeña posible tomando en cuenta tres aspectos: 1) limitaciones en suministro de materia prima; 2) disposición de desechos, tomando en cuenta que los producto de una planta piloto una vez estudiados se convierte en desecho del cual se debe disponer; 3) costos mínimos de inversión inicial.
capacidad mínima. La planta debe ser lo suficientemente grande como para asegurar: 1) cantidad requerida en las muestras ha emplear en las pruebas de laboratorio; 2) velocidades mínimas en equipos y tuberías; 3) minimizar costos iniciales de inversión tomando en cuenta que los costos de equipos pequeños se incrementan como consecuencia de la dificultad en su construcción.
Se recomienda diseñar para la capacidad mínima posible, prestando especial interés a las limitaciones operacionales y al impacto del tamaño sobre el costo de los equipos.
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capacidad mínima. lo suficientemente grande como para asegurar:
cantidad requerida en las pruebas de laboratorio;
velocidades mínimas equipos y tuberías;
minimizar costos iniciales de inversión
Se recomienda diseñar para la capacidad mínima posible
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 3. Limites de capacidad. La capacidad de la planta piloto está limitada en un rango donde se garantiza el cumplimiento de los objetivos establecidos y, las restricciones técnicas y operacionales.
capacidad máxima. La planta debe ser lo más pequeña posible tomando en cuenta tres aspectos: 1) limitaciones en suministro de materia prima; 2) disposición de desechos, tomando en cuenta que los producto de una planta piloto una vez estudiados se convierte en desecho del cual se debe disponer; 3) costos mínimos de inversión inicial.
capacidad mínima. La planta debe ser lo suficientemente grande como para asegurar: 1) cantidad requerida en las muestras ha emplear en las pruebas de laboratorio; 2) velocidades mínimas en equipos y tuberías; 3) minimizar costos iniciales de inversión tomando en cuenta que los costos de equipos pequeños se incrementan como consecuencia de la dificultad en su construcción.
Se recomienda diseñar para la capacidad mínima posible, prestando especial interés a las limitaciones operacionales y al impacto del tamaño sobre el costo de los equipos.
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¿ Cuáles son los parámetros de operación a reproducir ?
Se deben seleccionar cuáles son los parámetros de operación que tienen mayor impacto sobre lo que se desea reproducir. La capacidad de la planta piloto queda restringida por las limitaciones impuestas por los parámetros de operación.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 4. ¿Cuáles son los parámetros de operación a reproducir? Cuando se diseña una planta piloto a partir de un proceso industrial existente, la escala de operación se reduce desde miles de toneladas a unos pocos kilos. Esta reducción drástica dificulta la reproducción de todos los parámetros de operación del proceso industrial. Se deben seleccionar cuáles son los parámetros de operación que tienen mayor impacto sobre lo que se desea reproducir. La capacidad de la planta piloto queda restringida por las limitaciones impuestas por los parámetros de operación.
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Generación del PFD de la planta piloto.
La formulación de objetivos obliga potencialmente a rediseñar el DBP ajustándose a los objetivos establecidos.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 5. Generación del PFD de la planta piloto. Aun cuando se dispone del DBP del proceso industrial. lLa formulacion de objetivos obliga potencialmente a rediseñar un DBP ajustandose a los objetivos. Este DBP usa como insumo el DBP del proceso industrial.
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Estableciendo la capacidad de diseño.
Con la información recopilada en los pasos anteriores y los balances de masa se establece la capacidad de diseño de una planta piloto que reproduce parcialmente o totalmente un proceso existente.
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
PASO 6. Estableciendo la capacidad de diseño. Con la información recopilada en los pasos anteriores y los balances de masa se puede establecer la capacidad de diseño de una planta piloto que reproduce parcialmente o totalmente un proceso existente.
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DFP: Coquización Retardada a nivel Industrial
La Delayed Coking (DC) es un proceso semicontinuo de conversión profunda donde cargas, residuos de vació y residual, son sometidas a un craqueo térmico.
La figura 1 muestra el diagrama de flujo de proceso de una unidad convencional, a nivel industrial, de DC, donde la alimentación fresca, caliente y liquida, se alimenta al fondo del fraccionador, por encima de la zona de retorno de los gases calientes del tambor de coque.
El crudo residual es bombeado desde el fondo del fraccionador hasta los tambores de coque, a través del horno a alta velocidad; donde es parcialmente vaporizado.
La fracción no vaporizada decanta en los tambores de coque por efecto de las variables de operación tiempo de residencia, temperatura y presión, generando la formación de coque retardado.
La fracción vaporizada, constituida básicamente por gas, nafta y gasóleos, productos de las reacciones de craqueo térmico, retorna al fraccionador desde el tope del tambor de coque.
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El coque retardado producto del crudo venezolano es excesivamente duro y difícil de remover con el equipo de decoquizacion hidráulica.
EL Laboratorio de Carbón y Residuos Pesados de la Universidad Simón Bolívar, fiel al objetivo de prestar soporte técnico a la industria y en su empeño por dar soluciones sustentables al coque retardado, plantea la conceptualización, diseño y construcción de una planta piloto de coquización retardada (PPCR), que reproduzca la calidad del coque retardado que se produce a partir de crudo venezolano.
Estableciendo capacidad de PPCR
Autores como [Elliot,1996] y [Rodríguez-Reinoso,1998] probaron que la calidad de este coque es función de las características de la alimentación, y las condiciones de presión, temperatura y tiempo de residencia en el tambor de coquización. Manipulando dos variables de operación en el tambor de coquización como por ejemplo temperatura y presión, es factible modificar las características del coque [Rodríguez-Reinoso; 1998].
De acuerdo a la experiencia venezolana este tipo de coque es excesivamente duro, difícil de remover con el equipo de decoquizacion hidráulica [Ventura, 1992]. Esta característica ha ocasionando problemas operacionales durante la descarga de los tambores de coquización, ya que. es excesivamente duro y difícil de remover con el equipo de decoquización hidráulico [Ventura, 1992]. Ante esta problemática, el Laboratorio de Carbón y Residuos Pesados de la Universidad Simón Bolívar (Venezuela), fiel al objetivo de prestar soporte técnico a la industria nacional y en su empeño por dar soluciones sustentables al coque producido en las refinerías y mejoradoras venezolanas, plantea la conceptualización, diseño y construcción de una planta a escala piloto de CR, que reproduzca la calidad del coque retardado que se produce a partir de crudo venezolano.
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Process Improvement Engineering [Lieberman, 1986];
Universidad de Milano [Del Bianco, 1993];
Universidad de Trondheim [Blekkan, 1992];
El instituto de Investigación Aplicada de Pittsburg [Rodríguez, 1994];
PDVSA-Intevep [Layrisse, 1998];
Estableciendo capacidad de PPCR
En el ámbito mundial se conoce de la existencia de diferentes Plantas Pilotos de Coquización Retardada (PP-CR) en el ámbito mundial como: Great Lakes Carbon [Ellis y Hardin, 1993]; Process Improvement Engineering [Lieberman, 1986]; Universidad de Milano [Del Bianco, 1993]; Universidad de Trondheim [Blekkan, 1992]; El instituto de Investigación Aplicada de Pittsburg [Rodríguez, 1994]; PDVSA-Intevep [Layrisse, 1998]; entre otras. Algunas de estas plantas pilotos estudian el rendimiento de los livianos y otras el comportamiento del coque.
Los investigadores en la primera fase del trabajo propone un método para establecer los criterios que definan la capacidad de una planta piloto de un proceso que existe industrialmente. Este metodo fue probado para el caso de una PP-CR que reproduce la calidad del coque retardado producido a partir de crudo venezolano.
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Se definió la capacidad de la PPCR como la cantidad de COQUE RETARDADO producido POR CICLO de operación
Estableciendo capacidad de PPCR
PASO 1. Formulación del objetivo.
Construir una PPCR que reproduzca la calidad de coque retardado que se produce a partir de crudos venezolanos.
Este proyecto maneja un financiamiento mínimo.
Estableciendo capacidad de PPCR
PASO 1. Formulación de los objetivos. La PP-CR tiene como objetivo brindar apoyo técnico a la industria petrolera, para aportar soluciones a los problemas del coque retardado que enfrentan refinerias y mejoradoras en la operación de las unidades de CR existentes . Por lo expuesto se propone construir una PP-CR que reproduzca la calidad de coque retardado que se produce a partir de crudos venezolanos. Este proyecto maneja un financiamiento reducido, que se debe tomar en cuanta en la toma de decisiones durante la fase de diseño.
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Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y lo que se va a reproducir.
La PPCR reproducirá las características del coque retardado requeridas para su comercialización, las cuales son:
El contenido de azufre y metales lo establece el contenido de los mismos en la alimentación.
Estableciendo capacidad de PPCR
PASO 2. Definición de Bases de Diseño. En este paso toma en cuenta:
Relación entre condiciones de operación y lo que se va a reproducir.
La PP-CR reproducirá las características del coque retardado requerido para su comercialización, las cuales son: volumen de diámetro y poro, área superficial, Hardgrove Grindability Index - HGI ; Contenido de material volatil Volatile Carbon Matter - VCM; características microestructurales; y contenido de azufre y de metales pesados.
El contenido de azufre y metales en el coque retardado queda establecido por el contenido de los mismos en la alimentación.
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Para una alimentación dada, la presión y la relación de reciclo del tambor de coquización, y la temperatura de salida del horno determinan la calidad y rendimiento del coque retardado.
PASO 2.
Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y
lo que se va a reproducir.
Para una alimentación dada, la presión y la relación de reciclo del tambor de coquización, y la temperatura de salida del horno determinan la calidad y rendimiento del coque retardado [Elliot, 1991].
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Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y
lo que se va a reproducir.
Presión del tambor de coquización: A temperatura y relación de reciclo constantes, al aumentar la presión del tambor los hidrocarburos pesados quedan retenidos en él. Esto se traduce en un aumento en el rendimiento de coque y un ligero aumento en la cantidad de gases.
Relación de reciclo del proceso: La relación de reciclo tiene el mismo efecto que el de la presión en el rendimiento de los productos.
Temperatura del tambor de coquización: A presión y relación de reciclo constantes, el rendimiento de coque disminuye al aumentar la temperatura de salida de los tambores.
A continuación se explica de forma sucinta el efecto de estas condiciones de operación sobre el coque retardado:
Presión del tambor de coquización: Si la temperatura y relación de reciclo son constantes, al aumentar la presión del tambor la mayoría de los hidrocarburos pesados quedan retenidos en el tambor. Esto se traduce en un aumento en el rendimiento de coque y un ligero aumento en la cantidad de gases [Rodríguez -Reinoso,1998].
Relación de reciclo del proceso: La relación de reciclo tiene el mismo efecto que la presión en el rendimiento de los productos. El reciclo además afecta la viscosidad de la alimentación al proceso, lo que influye directamente en la fluidodinámica y la transferencia de calor.
Temperatura del tambor de coquización: Si la presión y la relación de reciclo en los tambores son constantes, el rendimiento de coque disminuye al aumentar la temperatura de salida de los tambores [Rodríguez-Reinoso, 1998]. Como un ejemplo de la influencia de la temperatura sobre la calidad del coque retardado, se tiene que a bajas temperaturas la reacción de craqueo no ocurre completamente, por lo cual se forma un coque con alto VCM. Para temperaturas elevadas el coque retardado es excesivamente duro y difícil de remover de los tambores con el equipo de decoquización hidráulico.
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Volatile Matter (VM)
Increase Pressure
Unknown influence
Increase Recycle
Condiciones y características de materia prima, productos y rendimiento.
Global Properties
0.000017
Ethylene
0.00013
Dodecane
0.13
Resin
0
Ethane
0.0027
Trydecane
0.14
Saturated
0
Propane
0.0035
Tetradecane
0.15
Aromatic
0
Butane
0.002
Benzene
0.051
Naphtenic
0
Pentane
0.0012
Toluene
0.061
Hexane
0.00048
Cyclohexane
0.024
PASO 2. Definición de las Bases de Diseño. Este paso es relativo a:
condiciones y características de materia prima y productos. Los datos sobre componentes y composición que se utilizaron para los balances de masa que establecen la capacidad de la planta piloto, se generaron con base en unidades industriales de DC existentes que procesan crudos venezolanos.
Para la corriente de residual (Figura 1) se considera una buena suposición que sus componentes son los mismos del residuo de vacío obtenido industrialmente a partir de crudos venezolanos.
Para los gases de salida del tope del tambor de coquización (corriente XX, Figura 1), se emplearon valores promedios de de composicion y de rendimientos de esta corriente a nivel industrial (ver Tabla 2).
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capacidad máxima. 23 Kg coque retardado por ciclo
capacidad mínima. 5 Kg coque retardado por ciclo
La capacidad mínima debe garantizar una velocidad lineal de: líquidos 1m/s y gases 4m/s.
Existe un compromiso entre la capacidad, la inversión inicial y las restricciones impuestas por los parámetros de operación
PASO 3.
Limites de capacidad.
capacidad maxima. La capacidad máxima esta limitada por el hecho de que la alimentación al proceso debe ser suministrada por la industria petrolera y la disposición de los desechos (coque retardado, naftas, gasóleos y gases) una vez realizadas las pruebas de laboratorio, y durante la operación de la planta. En base a estos criterios se determino el límite superior del rango de capacidad en XX Kg/ciclo.
capacidad minima. El límite inferior de la PP-CR queda definido por la cantidad necesaria de coque para llevar a cabo todas las pruebas de laboratorio que permiten caracterizar el coque retardado. Se seleccionaron las pruebas de laboratorio tomando en cuenta la relación entre las variables de operación y las características del coque retardado que se desean reproducir (ver Tabla 2), las cuales son: Hardgrove Grindability Index - HGI; Volatile Carbon Matter – VCM, Calorimetría diferencial de barrido (DSC), Optic Text Index (OTI), Dureza vikers en coque, ataque con plasma, difracción de rayos X y contenido de cenizas. Para llevar a cabo las 9 pruebas de laboratorio se requiere 5kg de coque retardado, lo cual representa la capacidad mínima.
La capacidad mínima debe garantizar al menos una velocidad lineal para líquidos de 1m/s y para gases de 4m/s.
La capacidad de la planta establece los costos de inversión inicial,
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PASO 4.
¿ Cuáles son los parámetros de operación a reproducir ?
La respuesta a esta pregunta requiere analizar el efecto de los siguientes parámetros sobre el coque retardado: velocidad de ascenso dentro del tambor: La fluidodinámica dentro del tambor de coquización está representada por la velocidad superficial de ascenso de los vapores dentro del mismo. Esta velocidad depende de la relación entre la densidad del gas dentro del tambor y la densidad de la alimentación al tambor, y debe ser la máxima posible sin que ocurra arrastre. Para que no haya arrastre la velocidad de ascenso debe estar entre 0,0762-0,1524m/s [Hecks, 1972].
Se propone un procedimiento de calculo donde se garantiza que la velocidad de ascenso este restringida a los límites expuestos. Este procedimiento calcula la relación largo /diámetro (L/D) del tambor de coquización, para diferentes masas de coque retardado producido por ciclo. Se supone la geometría del tambor como un tubo cilíndrico en cuya parte superior se encuentra una semiesfera.
El resultado de este procedimiento de cálculo se muestra en la Figura 2, donde se representa la relación L/D del tambor y la cantidad de masa coque retardado producida por ciclo para tres valores de velocidad de ascenso, que garantizan la reproducibilidad de la fluidodinámica dentro del tambor de coquización. La velocidad de ascenso máxima corresponde a 0,1524m/s, la mínima a 0,0762 m/s y la promedio se calculó como el promedio aritmético de las velocidades máximos y mínimos (0,1143m/s).
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condición adiabática del tambor
Para reproducir las características del coque retardado es fundamental reproducir el perfil térmico dentro del tambor, por lo tanto el tambor debe operar de forma adiabática.
Capacidad de al menos 4 kg coque retardado/ciclo.
La capacidad mínima está definida por la cantidad de coque requerido por las pruebas de laboratorio.
condición adiabática del tambor: Para reproducir las características del coque retardado es fundamental reproducir el perfil térmico dentro del tambor. Por lo tanto el tambor debe operar de forma adiabática. De experiencias anteriores en plantas pilotos, se conoce que mientras menor sea la dimensión de los equipos, mayor será la dificultad para operar en forma adiabática. Investigaciones previas reportadas en la bibliografía [ELLIS y HARDIN, 1993], [LAYRISSE, 1998] establecen que las condiciones adiabáticas en el tambor de coquización requiere una capacidad de al menos una 4 kg/ciclo de coque. Por lo tanto la capacidad minima esta definida por la cantidad de coque requerido por las pruebas de laboratorio.
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tiempo de llenado del tambor de coquización
Tiempo de llenado de aproximadamente 6 horas
Para una velocidad de ascenso constante se debe establecer una altura`(L) del tambor que permita alcanzar el tiempo de llenado.
Al establecer L, el diámetro (D) y la cantidad de coque retardado por ciclo son fijos
tiempo de llenado: Se requiere de un tiempo de llenado del tambor de coquización de aproximadamente 6 horas, para garantizar que se lleven a cabo las reacciones dentro del tambor y se obtengan los rendimientos requeridos [Rodríguez-Reinoso, 1998]. Para una velocidad de ascenso constante se debe establecer una altura`(L) del tambor que permita alcanzar el tiempo de llenado. Se debe recordar que al establecer la altura del tambor, el diámetro y la cantidad de coque retardado por ciclo son fijos (Figura 2).
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operabilidad
Mientras menor sea la capacidad menor serán las dimensiones de los equipos, aumentando los problemas operacionales por depósitos de coque en tuberías, accesorios y equipos.
Para evitar la deposición de coque la velocidad en todas las líneas debe ser superior a la mínima.
Líquidos 1m/s - Gases 4m/s
operabilidad: Para garantizar la operabilidad de la PP-CR se debe tomar en cuenta que mientras menor sea la capacidad menor serán las dimensiones de los equipos, a expensas de que aumente la tendencia a problemas operacionales por depósitos de coque en tuberías, accesorios y equipos. Este aspecto se debe de tomar en cuanta al momento de diseñar una unidad de CR en cualquier escala, ya que las plantas industriales enfrentan problemas similares. Para evitar la deposición de coque la velocidad en todas las lineas debe ser superior a la mínima.
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Desechos generados
Mientras mayor sea la capacidad de la planta mayor será la cantidad de desechos generados.
Capacidad de al menos 23kg coque retardado/ciclo.
desechos generados: Mientras mayor sea la capacidad de la planta mayor será la cantidad de desechos generados. El coque y los líquidos una vez analizados pasan a ser desechos los cuales se deben disponer según una buena práctica de disposición de desechos, basadas en leyes ambiemtales. Se estima que el volumen de desecho esta limitado a un maximo de 15 galones.
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Generación del PFD de la planta piloto
Una PPCR no puede reproducir en simultaneo las características del coque y el rendimiento de líquidos. Como en este caso solo se desea reproducir la calidad del coque, la planta piloto incluye una fraccionadora que solo sepra gases de liquidos. El PFD propuesto para la DCPP se muestra en la Figura 3 .
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la velocidad debe ser mayor a la mínima;
la velocidad de ascenso se toma como la velocidad de ascenso promedio,
la relación de reciclo es de 20/80.
Relación de reciclo: cantidad de gasóleo producido por ciclo con respecto al total recirculado.
PASO 6.
Estableciendo la capacidad de diseño.
El balance de masa de DCPP se desarrolló usando el el método de seudo-componentes para caracterizar la alimentación a una PP-CR (Figura 3, corriente xx). La corriente de gas saliendo del tambor del coquización (corriente x) se caracterizo usando los valores mostrados en la Tabla 2. El resto de las corrientes del DFP se calcularon a partir de balances de masa en cada uno de los equipos. El cálculo de las propiedades y características de los componentes que conforman cada una de las mezclas se realizó empleando simuladores comerciales y datos experimentales obtenidos en la bibliografía para sustancias similares.
El cálculo de la capacidad se basó en las siguientes premisas: 1) la velocidad debe ser mayor a la mínima; 2) la velocidad de ascenso se toma como la velocidad de ascenso promedio, 3) la relación de reciclo es de 20/80, valor sugerido por Elliot [1991] para unidades de CR a pequeña escala. La relación de reciclo se define como la cantidad de gasóleo producido por el proceso con respecto al total recirculado de la misma mezcla.
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Se supone la cantidad de coque retardado por ciclo
Se supone el diámetro de todas las líneas del DFP. Los valores de los diámetros corresponden a D comerciales.
Se realizan los BM. Para el tambor de coquización se utilizó la figura que establece la relación de L/D.
Se calculó el caudal en cada tubería.
Se calculó la velocidad lineal de cada tubería.
El cálculo iterativo se detiene cuando la velocidad lineal de todas las tuberías es mayor o igual a las velocidades mínimas.
Una vez detenido el cálculo se estable que la cantidad supuesta de coque retardado a producir es la capacidad de diseño PPCR
PASO 6.
A continuación se expone el procedimiento iterativo propuesto:
Se supone la cantidad de coque retardado por ciclo
Se supone el diámetro de todas las líneas mostradas en la Figura 3. Los valores de los diámetros utilizados corresponden a diámetros de tuberías comerciales.
Se realizan los balances de masa de la planta. Este calculo establece la masa de cada componente en cada corriente. Para el caso del balance del tambor de coquización se utilizó la Figura 2 para establecer la relación de L/D.
Se calculó el caudal en cada tubería.
Se calculó la velocidad lineal de cada tubería.
El cálculo iterativo se detiene cuando la velocidad lineal de todas las tuberías es mayor o igual a la velocidad mínima establecida.
Una vez detenido el calculo se estable que la cantidad supuesta de coque retardado a producir es la capacidad de diseño de la planta piloto.
En este caso la capacidad de la PP-CR resulto de 10,5 Kg, y la relacion L/D de 8,3 .
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CONCLUSIONS
El método propuesto garantiza establecer la capacidad de una planta piloto de un proceso industrial. Este método se probó para establecer la capacidad de una PPCR que reproduce la calidad del coque venezolano.
La capacidad PPCR es
10,5Kg coque retardado /ciclo
CONCLUSIONES
By applying the proposed method, it can be established the capacity of a pilot plant capable of reproducing product quality of an industrial plant. Applying the proposed method to this case study, it can be guaranty that delayed coking pilot plant capacity of 10.5 kg with 8.3 L/D ratio is capable to reproduce Venezuelan petroleum coke quality.
The major problem to establish the capacity of a pilot plant that reproduces product quality of an industrial plant was selection of operational parameters to be reproduced to guarantee the fulfillment of objectives. In this case study, the conclusion was that to reproduce petroleum coke quality, it is necessary to faithfully reproduce the fluid dynamics, filling time, and the coke drum adiabatic condition.
Continuing studies will establish optimum capacity, based on technical and economic constraints, considering the impact of construction cost of small equipment.
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CONCLUSIONS
La mayor dificultad para establecer la capacidad de una planta piloto de un proceso industrial, radica en seleccionar cuáles parámetros de operación se deben reproducir.
Para la PPCR se estableció que para reproducir la calidad del coque retardado es necesario reproducir la fluidodinámica, el tiempo de llenado y la condición adiabática del tambor de coquización.
Se recomienda hacer un estudio detallado que establezca la capacidad mínima óptima, basado tanto en los aspectos técnicos como en el incremento de los costos de construcción de equipos muy pequeños.
CONCLUSIONES
By applying the proposed method, it can be established the capacity of a pilot plant capable of reproducing product quality of an industrial plant. Applying the proposed method to this case study, it can be guaranty that delayed coking pilot plant capacity of 10.5 kg with 8.3 L/D ratio is capable to reproduce Venezuelan petroleum coke quality.
The major problem to establish the capacity of a pilot plant that reproduces product quality of an industrial plant was selection of operational parameters to be reproduced to guarantee the fulfillment of objectives. In this case study, the conclusion was that to reproduce petroleum coke quality, it is necessary to faithfully reproduce the fluid dynamics, filling time, and the coke drum adiabatic condition.
Continuing studies will establish optimum capacity, based on technical and economic constraints, considering the impact of construction cost of small equipment.
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GRACIAS
2
4
6
8
10
12
14
16
18
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Delayed Coking masses per cycle (Kg)
Length/Diameter ratio (L/D)
Minimum riser velocity
Mean riser velocity
Maximum riser velocity