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UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA EVALUACIÓN DE LA SECCIÓN DE LAVADO DE CO 2 DE LA PLANTA DE AMONÍACO DE PEQUIVEN-MORÓN Tutor Académico: Autor: Ing. Sergio Pérez Lorena Z. Pérez G. Tutor Industrial: Ing. Víctor Hernández Valencia, Diciembre de 2005.

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UNIVERSIDAD DE CARABOBO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

EVALUACIÓN DE LA SECCIÓN DE LAVADO DE CO2

DE LA PLANTA DE AMONÍACO DE

PEQUIVEN-MORÓN

Tutor Académico: Autor:

Ing. Sergio Pérez Lorena Z. Pérez G.

Tutor Industrial:

Ing. Víctor Hernández

Valencia, Diciembre de 2005.

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RESUMEN

El endulzamiento del gas de proceso en las plantas de amoníaco, es

fundamental para el buen funcionamiento de la etapa de Metanación, ya que

altas concentraciones de CO2 en la entrada a esta sección de la planta

genera un aumento de temperatura en el Metanador, y por medidas de

seguridad se disminuye la carga de la misma, para evitar que se reduzca la

vida útil del mismo.

El Complejo Petroquímico de Morón requiere de una evaluación de la

sección de remoción de CO2 con monoetanolamina y trietanolamina de la

planta de amoníaco, para establecer las condiciones actuales de esta sección

y evitar las fluctuaciones o un aumento de la composición de CO2 hacia

metanación.

Con la finalidad de establecer el alcance del programa de simulación

Hysys para la realización de los balances de masa y energía, se simularon

los diferentes equipos de la sección con datos de diseño, a través del paquete

termodinámico Amine Pkg. Igualmente se efectuaron los balances de masa y

energía para las condiciones actuales de la planta, con el fin de establecer

las discrepancias entre las dos simulaciones y encontrar el origen de las

mismas.

Por último, se establecen las posibles alternativas de solución a las

causas de los problemas encontrados durante la evaluación, así como la

selección de la alternativa más viable, de acuerdo a los criterios técnicos y

económicos desarrollados para las mismas.

Entre los resultados más relevantes se tiene que el simulador para las

condiciones de diseño generó errores del orden del 9% para el circuito TEA y

alrededor del 12% para el circuito MEA, lo que verifica la aceptabilidad del

paquete termodinámico para esta simulación. En cuanto a la simulación

con datos actuales, los máximos errores encontrados fueron de 7% para

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ambos circuitos de la sección, es decir, que el simulador se adaptó a las

condiciones actuales del proceso.

Los errores más significativos entre las condiciones actuales y las de

diseño se encontraron para las temperaturas del circuito de MEA, esto se

debe a la deficiencia de intercambio entre la MEA rica y pobre del F-755, por

la formación inadecuada de la capa pasivante de los inhibidores de corrosión

del sistema Amine Guard. Es por ello que se propone como alternativa

colocar un intercambiador de calor igual al existente que opere en paralelo

con el mismo, permitiendo la limpieza del que se encuentre fuera de servicio,

así como el cambio de amina utilizada actualmente por DGA (Diglicolamina).

Por último, luego de la evaluación del proceso, es recomendable que el

personal de Pequiven evalúe de manera más profunda el cambio de amina,

con el fin de evitar futuros problemas operacionales en esta sección al

implementar esta propuesta.

INTRODUCCIÓN

El complejo Petroquímico de Morón es una empresa dedicada a la

producción de fertilizantes para el agro, dentro de sus productos principales

se tiene la urea, el sulfato de amonio, fosfato diamónico, fertilizantes

granulados N.P.K. (Nitrógeno, Fósforo y Potasio) y Roca Parcialmente

Acidulada (R.P.A.). Para la obtención de estos fertilizantes se elaboran dentro

del complejo el ácido fosfórico, ácido sulfúrico y amoníaco, siendo estos la

materia prima de dichos fertilizantes.

La planta de amoníaco se divide en diferentes etapas entre ellas se tiene

la hidrodesulfuración, reformación, conversión de monóxido de carbono,

remoción de CO2, metanación, síntesis, refrigeración y almacenamiento.

La sección de remoción de CO2, está formada por dos circuitos, donde el

gas de proceso se pone en contacto primero con la solución de

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trietanolamina (TEA) y luego con una solución de monoetanolamina (MEA) al

30% en peso.

El presente trabajo tiene como finalidad evaluar esta sección, para evitar

fluctuaciones en la composición de CO2 a la salida de la misma, operando a

condiciones estables con una composición de CO2 dentro de especificación.

Para realizar la evaluación fue necesaria la simulación de la toda la

sección a diferentes condiciones de operación, primero ameritó las

condiciones de diseño para validar el programa de simulación, luego se

realizó con datos a las condiciones de operación actuales para establecer

todas las variables operacionales de la sección, para luego reportar los

errores entre ambas condiciones de operación, con el fin de encontrar la

causa raíz a las discrepancias presentes.

Por último se plantearon alternativas de solución para disminuir estas

discrepancias, y se seleccionó la alternativa más viable de acuerdo a los

criterios establecidos.

La importancia de este trabajo radica en proporcionar alternativas que

permitan la optimización de la sección, para lograr la remoción de todo el

CO2 deseado, evitando futuras paradas de plantas imprevistas por presentar

alto contenido de CO2 en el gas hacia metanación, ya que por darse en esta

etapa una reacción exotérmica, el aumento de la temperatura en el

metanador origina reducción de la vida útil del catalizador, disminución de

la capacidad de la planta y que los sistemas de control actúen causando la

parada temporal de la sección de síntesis.

La estructura del trabajo consta de cinco capítulos, entre los cuales

tenemos: Capítulo I, donde se plantean las razones por las cuales se realiza

este trabajo, así como los objetivos planteados para su realización; el

Capítulo II, donde se establecen las distintas tecnologías de endulzamiento

de gas haciendo énfasis en la absorción a través de alcanolaminas, así como

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también algunos problemas operacionales que se presentan al operar este

tipo de sistemas; el Capítulo III donde se describe el proceso de

endulzamiento de gas utilizado en la planta de amoníaco del Complejo

Petroquímico de Morón; el capítulo IV, en el cual se describe la metodología

empleada para el desarrollo del trabajo, y por último el capítulo V, en el que

se mustran y discuten los resultados obtenidos en el desarrollo del trabajo .

Finalmente se presentan las conclusiones y recomendaciones, asi como

los apéndices, donde se presentan los cálculos necesarios para la realización

de la simulación del proceso con condiciones actuales de operación, las

hojas de especificación utilizadas para la simulación con datos de diseño,

etc.

CAPÍTULO I

En la presente sección se explicará el problema a estudiar, los objetivos

del proyecto, así como las razones por las cuales es necesario realizarlo.

1.1 Descripción del problema

PEQUIVEN es una empresa dedicada a la producción de fertilizantes para

el agro, ubicada en la región Centro-Norte de Venezuela, en la carretera

Morón-Coro, Distrito Juan José Mora, Estado Carabobo.

Entre los principales productos del Complejo Petroquímico de Morón, se

encuentra la urea, el sulfato de amonio, fosfato diamónico, fertilizantes

granulados N.P.K. (Nitrógeno, Fósforo y Potasio) y Roca Parcialmente

Acidulada (R.P.A.). Para la producción de dichos fertilizantes, se cuenta con

la elaboración de los llamados productos intermedios, como lo son el

amoníaco, ácido fosfórico y el ácido sulfúrico (ver Figura 1.1). En la

actualidad, el complejo tiene una capacidad de producción de 640.000 TM al

año de fertilizantes, abarcando el 80% del mercado interno, abasteciendo así

a una gran mayoría de nuestros agricultores.

La Planta de Amoníaco fue construida por la Empresa Mitsubishi Heavy

Industries bajo la tecnología Chemico y arrancada en Noviembre de 1972,

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con una capacidad de diseño de 600 TMD, hasta 1997, cuando se aumentó

su capacidad a 660 TMD; aunque en la actualidad produce 625 TMD.

Por ser el Amoníaco un producto intermedio del complejo, es utilizado

para la producción de Urea, Sulfato de Amonio y fertilizantes granulados

(N.P.K.).

Figura 1.1 Esquema de los procesos de PEQUIVEN- MORÓN.

Esta planta de Amoníaco basa su proceso en la reformación del gas

natural, por lo que esta constituida por diferentes etapas, como lo son: la

hidrodesulfuración, donde se eliminan a través de catalizadores, los

compuestos de azufre contenidos en el gas natural; la reformación, donde el

metano contenido en el gas es transformado en monóxido y dióxido de

VENTAS

VENTAS

MATERIAS PRIMAS

PROD. INTERMEDIOS

FERTILIZANTES

GAS NATURAL AIRE

ROCA FOSFÁTICA

AZUFRE

SALES POTÁSICAS

R.P.A.

FOSFATO DIAMÓNICO/

N.P.K.

SULFATO

DE AMONIO

UREA

AMONIACO

ÁCIDO

SULFÚRICO

ÁCIDO

FOSFÓRICO

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carbono, y se introduce al sistema la cantidad de nitrógeno necesaria para la

síntesis del amoníaco; la sección de conversión de monóxido de carbono,

donde éste es transformado en dióxido de carbono; la etapa de remoción de

dióxido de carbono, en la que el CO2 se absorbe con soluciones de aminas; la

metanación, donde el CO y el CO2 aún presentes en la corriente de gas son

transformados en metano, la etapa de síntesis, en la que se produce el

amoníaco y por último la refrigeración y almacenamiento del producto.

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Figura 1.2 Diagrama de Bloques de la planta de amoníaco.

HIDRODESULFURACIÓN

REFORMACIÓN

CONVERSIÓN DE

CO

REFRIGERACIÓN

SÍNTESIS

METANACIÓN

REMOCIÓN DE

CO2

ALMACENAMIENTO

Gas Natural

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La remoción o lavado del CO2 se realiza a través de torres de absorción

química, en las que el gas proveniente de la sección de conversión pasa en

contracorriente con soluciones de aminas.

El primer contacto del gas es con una solución de TEA (tri-etanol amina)

en la columna C-751, donde se produce la reacción entre el CO2 y la amina,

a baja temperatura y alta presión, logrando la absorción de parte del CO2, la

solución de TEA rica en CO2 que sale por el fondo de la columna es

precalentada y enviada a una torre despojadora de TEA (C-753) donde se

descompone en CO2 y amina, liberándose el CO2 que es enviado tanto a la

planta de urea como a la empresa BOC GASES (ver figura 1.3).

El gas que sale de la torre absorbedora de TEA es enviado a la

absorbedora de Mono-etanol amina (C-752) donde se produce la reacción

entre el CO2 y la amina, a baja temperatura y alta presión, logrando la

absorción del CO2 remanente, la solución de MEA rica en CO2 se envía a la

despojadora de MEA (C-754) donde el CO2 que sale por el tope es igualmente

enviado a la planta de urea. La corriente de gas rica en H2 y N2 que sale de la

torre absorbedora de MEA es enviado a metanación (Ver figura 1.4).

Esta sección sufrió modificaciones en el año 1997, logrando aumentar su

capacidad a 110%, para esto se incorporaron equipos que permitían la

mejora de las condiciones de operación y se modificaron los ya existentes

hasta obtener una mejor remoción de CO2 en la planta.

Al aumentar la capacidad de la planta la cantidad de CO2 a ser

removido en el sistema aumenta por lo que se incrementó la cantidad de

TEA y la concentración de MEA para obtener una mayor remoción del

mismo. Las elevadas concentraciones de amina producen alta corrosión en

tuberías y equipos que trabajen a altas temperaturas, razón por la cual se

colocó en el circuito MEA, este mismo año el sistema Amine Guard que

consiste en inhibidores de corrosión de vanadio pentavalente y antimonio,

así como filtros mecánicos y de carbón activado.

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Figura 1.3. Sección de Lavado de CO2 de la planta de Amoníaco de PEQUIVEN- Circuito TEA (GLITICSH,1997)

Bombas

HACIA C-752 SEC. DE LAVADO CON MEA

CO2 A PLANTA DE UREA

GAS DESDE

F-757 F-758 A/B

F-760

SR-754

C-751

X-751

SR-751

C-753

PC-751 A/B/C

F-759

SR-758

F-751

F-764SR-752

SR-764

PC-762

Torre de Absorción

Enfriador

Separador

Intercambiadores de Calor

Turbina

Tanque de almacenamiento

Torre de Regeneración

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DESDE X-702

A LA SEC. DE REFORMACIÓN

DESDE SR-752 SEC. DE LAVADO CON TEA

C-752

GAS A LA SECCIÓN DE REFORMACIÓN

C-754

F-755 B

F-755

F-756

A AMINE GUARD

F-754

A F-757

SR-755

F-753

SR-757

PC-752 A/B

A C-751

F-752

SR-753

CO2 A PLANTA DE UREA

PC-753 A/B

PC-754 A/B

Torre de Absorción

Intercambiadores Amina-Amina

Tanque de almacenamiento

Bombas

Torre de Regeneración

Purificador de Amina

Rehervidor

Condensador

Separador

Figura 1.4. Sección de Lavado de CO2 de la planta de Amoníaco de PEQUIVEN- Circuito MEA (GLITICSH,1997)

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Marco Metodológico

8

Durante el último año se ha observado una variabilidad en la

concentración de CO2 a la salida de esta sección y valores por encima de lo

especificado, por lo que es necesaria la realización de una evaluación que

indique las causas de estas fluctuaciones en la concentración así como las

posibles alternativas de mejora del proceso.

1.2 Formulación del problema En esta sección se expondrá las condiciones actuales de la sección de

lavado de CO2, así como lo requerido por la misma, proporcionando una

visión general de lo que se estudiará.

Situación actual Por los momentos, PEQUIVEN carece de un estudio que indique las

causas que generan las fluctuaciones en la composición de CO2 a la salida

de la sección de lavado de la planta de amoníaco, así como las posibles

alternativas de solución a este problema.

De continuar esta situación, la sección de lavado de CO2 de la planta de

amoníaco, operaría a condiciones indeseables ya que el gas presentaría alto

contenido de CO2, originando que la sección de metanación opere a

temperaturas superiores a las de diseño, acercándose cada vez más al punto

de control de la temperatura en la sección, lo que podría causar desde una

disminución en la carga de la planta hasta una parada imprevista de la

sección de síntesis.

Situación deseada Se dispone de un estudio que indique las condiciones de operación de la

sección de lavado de CO2 de la planta de amoníaco, la eficiencia de la etapa

expresada como cantidad removida de CO2, así como las posibles causas que

generan una disminución en dicha eficiencia y algunas alternativas de

solución a esta disminución, incluyendo aspectos económicos en las

alternativas planteadas.

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Marco Metodológico

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1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo General Evaluar la sección de lavado de CO2 de la planta de amoníaco del

Complejo Petroquímico de Morón, con el fin de permitir una operación

estable con niveles de CO2 en la corriente de gas de síntesis dentro de

especificaciones.

1.3.2 Objetivos Específicos 1.3.2.1 Realizar los balances de masa y energía de la sección de lavado de

CO2 de la planta de amoníaco a condiciones de diseño, a través del programa

de simulación Hysys.

1.3.2.2 Realizar los balances de masa y energía de la sección de lavado de

CO2 de la planta de amoníaco a condiciones actuales de operación, a través

del programa de simulación Hysys.

1.3.2.3 Establecer las diferencias existentes entre las condiciones actuales

de operación en la etapa de remoción de CO2 y las condiciones de diseño.

1.3.2.4 Proponer alternativas que permitan reducir la diferencia entre las

variables de operación actuales y las de diseño.

1.3.2.5 Realizar una evaluación técnico-económica de las alternativas de

solución a los problemas de la sección de lavado.

1.4 Justificación A través de este trabajo de grado PEQUIVEN estará en la capacidad de

implementar medidas de corrección a los problemas de la sección de lavado

de CO2 de la planta de amoníaco, optimizando la sección y removiendo todo

el CO2 deseado, evitando así futuras paradas de plantas imprevistas por

presentar alto contenido de CO2 en el gas hacia metanación, ya que por

darse en esta etapa una reacción exotérmica, el aumento de la temperatura

en el metanador origina reducción de la vida útil del catalizador,

disminución de la capacidad de la planta y que los sistemas de control

actúen causando la parada temporal de la sección de síntesis.

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Marco Metodológico

10

Así mismo, la vida del catalizador de síntesis se ve afectada al contener

en el gas una composición de CO + CO2 mayor a 10 ppm, incrementando la

importancia de la remoción de CO2 en el sistema.

El trabajar la sección de lavado a estas condiciones indeseadas le

otorga al sistema inestabilidad y pérdidas másicas durante la producción,

reflejándose en los costos de fabricación del producto.

En definitiva, éste trabajo servirá para cumplir con el último requisito

exigido para optar al título de ingeniero químico, además de que aportará

conocimientos en el área de absorción química, acondicionamiento del gas

de proceso, reacciones de las aminas y afianzará los conocimientos

adquiridos durante la carrera, lo que aportará al autor experiencia en este

campo.

Capitulo II A continuación se presentan los antecedentes y las bases teóricas vinculadas

al desarrollo del presente trabajo de grado.

2.1 Antecedentes:

López de Sheik, Aída. “Evaluación y control de las velocidades de

corrosión en líneas de TEA y MEA, Planta de amoníaco 600TM”.

Universidad Central de Venezuela. Octubre 1985.

Los objetivos principales de este trabajo de grado son analizar la

corrosión en las líneas de TEA y MEA de la planta de amoníaco, realizar

análisis metalográficos, difracción de rayos X y microscopia electrónica de

barrido de las muestras obtenidas en líneas, analizar las pérdidas

económicas que se generan de esta corrosión y por último instalar un

sistema de control que permita planificar las paradas de planta.

Entre las conclusiones más importantes tenemos que la instalación del

sistema de control de la evaluación ha permitido dar seguimiento de pérdida

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Marco Metodológico

11

de espesores en línea y equipos, predecir fallas, programar paradas para

inspección y/o reparación de líneas y equipos; la corrosión encontrada en la

parte baja de la torre de absorción de MEA fue debido a una falla mecánica

en el regenerador de MEA y la corrosión en la unidad de TEA fue debido a la

inclusión de tambores que contenían altas impurezas, tornando la solución

más corrosiva.

El análisis realizado en este trabajo enfoca en profundidad la influencia

de la corrosión en todas las líneas que manejan aminas en la sección,

principalmente el efecto sobre el material, las grietas y compuestos que las

producen; lo que difiere del presente trabajo ya que en este se evaluará

desde el punto de vista operacional no sólo las líneas sino toda la sección de

lavado, proporcionando alternativas de solución a los problemas.

Ruiz A., Juan C. “Evaluación técnica del absorbedor de MEA de la

planta de amoníaco”. Universidad Central de Venezuela. Noviembre

1990.

Este trabajo de grado tiene como finalidad presentar los resultados de los

ensayos destructivos y no destructivos aplicados en la evaluación técnica

realizada a la torre de absorción de CO2 del circuito MEA de la planta de

amoníaco, comparar resultados y la efectividad de los ensayos destructivos y

no destructivos de la evaluación del agrietamiento por corrosión bajo tensión

de recipientes de acero al carbono en servicios de amina.

Las conclusiones más relevantes de este trabajo son: la presencia de

agrietamiento por corrosión bajo tensión en la parte superior e inferior del

absorbedor; este agrietamiento bajo tensión fue muy superficial, ramificado y

de trayectoria combinada, tanto intergranular como transgranular, se

produce mayormente en el fondo de una picadura de corrosión, La corrosión

se genera mayormente en zonas afectadas por el calor de soldadura, en el

material base y en la soldadura pero adyacente a la zona afectada por el

calor.

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Marco Metodológico

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Con la realización de este trabajo se obtuvo pruebas en cuanto a la

corrosión en la torre de absorción de MEA, dónde la corrosión era mayor y

cómo se presentaba la corrosión en la misma, lo que genera discordancia

con el trabajo actual ya que esta evaluación se hará en toda la sección desde

el punto de vista operacional, estableciendo causas y planteando posibles

soluciones a los problemas encontrados.

San Martín B., Carolina M., “Simulación de la sección de lavado de

CO2, planta de amoníaco PEQUIVEN-MORÓN”. Universidad de Carabobo.

Julio 1992

Objetivos relevantes: Elaborar un programa que permita simular los

balances de masa y energía, de la sección de lavado de CO2 de la planta de

amoníaco de PEQUIVEN-MORÓN y simular los equipos que conforman la

sección de lavado inicialmente con datos de diseño y luego con datos

operacionales.

Conclusiones relevantes: El programa creado es muy versátil en la

evaluación de la sección de lavado de CO2, puede utilizarse para esta sección

y de forma individual en los equipos que la integran; a 109.5% de carga en

lavado se obtuvieron errores del 2.37% y de 3.25% para la validación con

114.55 % de carga de lavado.

Al simular los equipos de la sección de lavado se realiza una evaluación

desde el punto de vista operacional, aunque no en profundidad, ya que no se

establecen los problemas en la sección ni las posibles soluciones a estos

problemas, diferenciándolo del actual en cuanto al alcance del mismo.

Moreno, Aracelis. “Evaluación de la sección de filtración de la planta

de ácido fosfórico COMPLEJO MORON”. Universidad del Zulia. Junio

1995

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Marco Metodológico

13

El objetivo primordial de este Trabajo Especial fue evaluar la sección de

filtración de la planta de ácido fosfórico del Complejo Petroquímico de

Morón, de acuerdo a factores que afectan el rendimiento de dicha planta, los

problemas que presenta actualmente, realizar balances de masa y energía,

determinar de la eficiencia de los filtros, temperatura y espesor óptimo de la

torta para obtener el mejor rendimiento de la sección.

Al finalizar la investigación, se determino que la temperatura del lodo que

se alimenta al filtro tienen una influencia directa sobre la velocidad de

filtración, es decir, que a medida que aumenta se obtienen mayores

velocidades de filtración, la mayor velocidad de filtración se obtiene filtrando

el lodo a una temperatura entre 75 y 78 °C, siendo el espesor optimo de la

torta de 7 a 9 cm. Partiendo del análisis en el yeso se determino que la

eficiencia del filtro es 98%.

Esta investigación se basa en la evaluación de equipos específicos del

proceso, determinando las causas de algunos problemas mecánicos que se

presentaban durante la operación, para luego proponer la mejor alternativa

para solventar el problema. Este trabajo tiene semejanza al actual en cuanto

al alcance pero se diferencia en el análisis de las causas, ya que este estudia

las mecánicas y el actual evalúa desde el punto de vista operacional.

Adicionalmente son evaluaciones a procesos distintos.

Jaureguiberry S., Tomás. “Estudio comparativo de procesos de

recuperación de CO2 por absorción con aminas”. Universidad

politécnica de Cataluña. España. Febrero de 2005

Los principales objetivos del trabajo en cuestión fueron: estudiar

comparativamente las diferentes aminas sobre un esquema básico del

proceso de absorción química, a través de un simulador de procesos

químicos que indique la factibilidad en la selección de la amina adecuada,

realizar el diseño preliminar de una planta de recuperación de CO2 de gases

de combustión por absorción química.

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Marco Metodológico

14

El resultado de la evaluación realizada con cada amina fue la selección de

la monoetanolamina (MEA) con inhibidor, que optimiza el costo de

producción, y a su vez se ajusta de mejor manera a las propiedades y

condiciones de operación fijadas.

El presente trabajo se orienta en la evaluación del comportamiento de

diferentes aminas para seleccionar la mejor en la absorción de CO2,

generando una diferencia entre este y el trabajo actual, ya que se evaluará

pero solo para el sistema MEA-TEA y se desarrollarán los problemas

actuales de este sistema.

2.2 Fundamentos Teóricos:

2.2.1 Dióxido de Carbono:

Es un gas incoloro e inodoro, que a concentraciones bajas no es tóxico,

pero en concentraciones elevadas incrementa la frecuencia respiratoria y

puede llegar a producir sofocación. Se puede licuar fácilmente por

compresión, sin embargo, cuando se enfría a presión atmosférica cambia su

estado de gas a sólido en lugar de hacerlo a líquido.

El dióxido de carbono es soluble en agua y la solución resultante puede

ser ácida como resultado de la formación de ácido carbónico, de allí la

propiedad corrosiva que el CO2 presenta en presencia de agua.

Este gas lo encontramos en pequeñas pero muy importantes cantidades

en el aire y se forma naturalmente a través de la combustión y en los

procesos biológicos. Comercialmente se obtiene a través de la separación y

purificación de gases relativamente ricos en CO2, estos procesos incluyen

plantas de amoníaco, hidrógeno y procesos de fermentación. (UIG, 2004)

2.2.2 Tecnologías para la recuperación de CO2:

Adsorción

Criogénica

Condensación

Membranas

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Marco Metodológico

15

Absorción

Figura 2.1. Tecnologías para la recuperación de CO2 (Jaureguiberry, 2005). 2.2.2.1 Adsorción

Las fuerzas intermoleculares entre los gases tales como el CO2 y la

superficie de ciertos materiales sólidos permiten la separación por adsorción.

La adsorción selectiva de los gases depende de la temperatura, presiones

parciales, fuerzas en la superficie y del tamaño de poro del adsorbente.

Los adsorbentes sólidos, como el carbón activo, los encontramos

normalmente como lechos empaquetados de partículas esféricas. El proceso

es un ciclo repetitivo cuyas dos etapas básicas son la adsorción y la

regeneración. En la etapa de adsorción, el gas es alimentado sobre el lecho

de sólidos, que adsorbe el CO2 y deja pasar el resto de gases. Cuando el

lecho llega a su capacidad máxima de adsorción de CO2, la alimentación es

enviada a otro lecho limpio mientras se procede a la regeneración del

primero, extrayéndole el CO2 que ha sido adsorbido previamente.

(Jaureguiberry, 2005)

Entre los diferentes procesos de Adsorción se tiene:

PSA

Adsorción Absorción

TSA ESA

Inorgánica Aminas

Física Química

Criogénica Condensación Separación Por Membranas

Obtención de CO2

Separación de gas

Absorción de gases

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Marco Metodológico

16

PSA (adsorción con variación de presión): el adsorbente es

regenerado mediante la reducción de la presión.

TSA (adsorción con variación de temperatura): el adsorbente es

regenerado mediante el aumento de su temperatura.

ESA (adsorción mediante corriente eléctrica): la regeneración tiene

lugar al hacer pasar una corriente de bajo voltaje por el adsorbente.

2.2.2.2 Criogénica:

La separación criogénica es muy utilizada comercialmente para la

purificación de CO2 precedente de corrientes que ya tienen una elevada

concentración del mismo (>50%). No es utilizado en la recuperación de CO2

procedente de gases de la combustión de carbón o gas natural debido a que

es económicamente inviable. La ventaja que tiene es que nos da una

producción directa de CO2 líquido, el cual es necesario para un transporte

económico. Las aplicaciones más importantes de esta técnica pueden llegar a

ser la separación de CO2 de gases a alta presión (como en los procesos de

precombustión), o la combustión con oxígeno o aire enriquecido, en la cual

la alimentación contiene altas concentraciones de CO2. (Jaureguiberry, 2005)

2.2.2.3 Condensación

Como técnica para la purificación de gases, su interés primario se centra

en la eliminación de compuestos volátiles orgánicos (VOCs) procedentes de

gases de combustión. El proceso consiste en enfriar la corriente de gas a una

temperatura tal que el componente orgánico tenga una baja presión de

vapor, y colectar el condensado. (Jaureguiberry, 2005)

2.2.2.4 Membranas:

Una membrana es una película que actúa como una barrera, la cual

permite el paso selectivo y específico bajo condiciones apropiadas para dicha

función. Respecto al CO2, podemos encontrar dos tipos:

Membranas de separación de gases

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Marco Metodológico

17

Las membranas para la separación de gases dependen de las

diferencias, tanto físicas como químicas, entre la interacción de los gases y

el material de la membrana. El resultado es que un componente pase a

través de la membrana más rápido que el otro. Varios tipos de estas

membranas están disponibles actualmente: cerámicas, poliméricas, y una

combinación de ambas. La separación de los gases depende de la solubilidad

o la difusión de las moléculas de gas en la membrana (diferencias en la

presión parcial de un lado a otro de la membrana).

Membranas de absorción de gases

Las membranas de absorción de gases son membranas sólidas con

micro poros que son usadas como forma de contacto entre la corriente de

gas y la de líquido. El CO2 difunde a través de la membrana y es eliminado

selectivamente por el líquido absorbente del otro lado de la misma. Al

contrario que las membranas de separación de gas, aquí es el líquido

absorbente (no la membrana) el que da al proceso su selectividad.

(Jaureguiberry, 2005)

2.2.2.5 Absorción:

La capacidad de absorción de un solvente es función de la presión parcial

del gas en la unidad de absorción. En la absorción física, la capacidad del

solvente, que inicialmente sigue la ley de Henry, asume una dependencia

casi lineal con la presión parcial del gas. En la absorción química, la

capacidad es no lineal con la presión parcial, pues viene determinada por el

equilibrio químico. (Jaureguiberry, 2005)

Absorción física

Los solventes físicos están ideados para la recuperación de CO2 a

altas presiones de vapor. La ventaja de este tipo de solventes es que el CO2

puede ser separado de ellos en la regeneración simplemente mediante una

reducción de la presión en el sistema, lo que da lugar a un consumo mucho

más bajo de energía. La mayoría de los solventes utilizados en la absorción

física son orgánicos con elevados puntos de ebullición y bajas presiones de

vapor.

Page 22: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

18

En general, todos los solventes físicos deben tener una buena

selectividad para la absorción de CO2 frente a otros constituyentes primarios

de la corriente de gas. Deben tener una baja viscosidad, baja o moderada

higroscopicidad, y una baja presión de vapor a temperatura ambiente.

(Jaureguiberry, 2005)

Absorción química:

La mayoría de los solventes químicos son orgánicos y basados en

aminas. La manipulación estereoquímica de este grupo ha dado lugar al

desarrollo de las aminas con impedimento estérico, las cuales mejoran la

capacidad de absorción del solvente. La alternativa que encontramos para

los solventes orgánicos son los sistemas de carbonato de potasio y

catalizadores. (Jaureguiberry, 2005)

El proceso de absorción química ha sido estudiado durante años y un

diagrama estándar para este proceso se muestra en la figura 2.2:

Page 23: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

19

Figura 2.2. Diagrama de flujo de remoción de CO2 por medio de la

Absorción con alcanolaminas.

En este proceso el gas de alimentación entra por la parte baja de la

columna de absorción, donde se pone en contacto a contracorriente con la

solución acuosa de amina pobre en contenido de CO2 (o “amina pobre”). El

gas de alimentación sale por la parte de arriba de la columna con un menor

porcentaje de CO2 (Gas dulce), que dependerá de las condiciones del

proceso, y del tipo y cantidad de solvente utilizado: es el llamado “gas dulce”,

puesto que se le ha extraído la mayor parte de gas ácido que contenía, y se

expulsará directamente al exterior.

Por la parte baja de la columna saldrá la solución acuosa de amina

rica en CO2, a partir de ahora “amina rica”, ya que habrá absorbido la mayor

parte del CO2 presente en el gas de alimentación.

Page 24: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

20

La amina rica es bombeada hasta un intercambiador de calor, donde

es precalentada antes de ser enviada a la torre regeneradora. La corriente

líquida entra por la parte superior de esta columna y entra en contacto a

contracorriente con vapor de agua. La torre regeneradora produce gas ácido

por la parte superior, ya que lo que se ha producido con el calentamiento del

solvente es una desorción. En la parte inferior, en cambio, tendremos una

corriente de amina pobre (baja concentración de CO2) a elevada temperatura.

Este calor se recuperará haciendo circular esta corriente hasta el

intercambiador de calor mencionado previamente.

Así conseguiremos precalentar la corriente de amina rica, y preenfriar

la corriente de amina pobre, que a continuación será recirculada hacia la

columna de absorción, donde volverá a empezar el ciclo. Las pérdidas tanto

de agua (como vapor en el stripper, junto al gas ácido) como de solvente (por

degradación) se tendrán que ir sustituyendo en el proceso. (Maddox, 1985)

La concentración de equilibrio del CO2 en la solución es proporcional

a su presión parcial en la fase gaseosa (Ley de Henry), por lo que la

absorción o reacción del CO2 con la amina se ve favorecida al aumentar la

presión parcial de CO2. El equilibrio de la reacción es sensible también a la

temperatura, haciendo que la presión de vapor de los gases ácidos

absorbidos crezca rápidamente al aumentar la temperatura. Como

consecuencia, es posible una separación de los gases absorbidos con la

solución acuosa de aminas mediante la aplicación de calor (es el proceso que

se lleva a cabo en el stripper).

Además, y como característica importante, la efectividad de cualquier

tipo de amina en la absorción de CO2 se debe principalmente a su

alcalinidad y mientras mayor capacidad de absorción ésta tenga, más fácil

será su regeneración.

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Marco Metodológico

21

TABLA 2.1

SOLVENTES COMERCIALES UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA.

Proceso de Absorción Solvente Condiciones del

proceso Licenciante

Solventes Físicos

Rectisol Metanol (-10/-70)°C, > 2MPa Lurgi and Linde,

Germany,

Lotepo Corporation,

USA

Puisol n-metil-2-pirolidona (NMP) (-20/+40)°C, >2 MPa Lurgi, Germany

Selexol Éteres dimetílicos de (-40°C), 2-3 MPa Union Carbide

Glicol polietileno

(DMPEG)

Fluor Carbonato de propileno Temperatura Amb.

por debajo de Fluor, EL Paso, USA 3.1-6.9 MPa

Solventes Químicos (Basados en Aminas)

MEA 2.5 n monoetanolamina (-40°C) Dow Chemical, USA

e inhibidores químicos Presiones

intermedias Amine Guard 5 n monoethanolamine (-40°C) Union Carbide, USA

e inhibidores químicos Presiones

intermedias

Econamine (DGA) 6 n Diglicolamina (80-120°C), 6.3 MPa SNEA versión de la

Asociación

Nacional de Elf

Aquitane, France ADIP (DIPA &

MDEA) 2-4 n diisopropanolamina 35-40°C, >0.1 MPa Shell, Netherlands

metildietanolamina Flexsorb/ Aminas Exxon, USA; M.H.I

KS-1,KS-2,KS-3

Solventes Inorgánicos

Benfield y otras versiones Carbonato de Potasio 70-120°C,2.2-7 MPa

Lurgi, Germany; Eickmeyer

y & Associates, USA;

Trióxido arsénico Giammarco Vetrocoke, Italy

Solventes Físicos/Químicos

Sulfinol-D / Sulfinol-M Mezcla de DIPA y MDEA, > 0.5 MPa Shell, Netherlands

H2O y tetrahidrotiopeno Amisol DEA, diisopropilamina 5/40°C > 1MPa Lurgi, Germany

o dietilamina (Murlidahr, 2003)

Page 26: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

22

2.2.3 AMINAS

2.2.3.1 Estructura y nomenclatura.

Se pueden considerar a las aminas como compuestos nitrogenados

derivados del amoniaco (:NH3) en el que uno o más grupos alquilo o arilo

están unidos al nitrógeno. El átomo de nitrógeno de la molécula de amoniaco

contiene un par electrónico libre, de manera que la forma de esta molécula,

considerando en ella al par de electrones no enlazantes, es tetraédrica

ligeramente distorsionada. El par aislado de electrones no enlazantes ocupa

una de las posiciones tetraédricas.

Las aminas son muy polares porque el momento dipolar del par aislado

de electrones se suma a los momentos dipolares de los enlaces C-N y H-N.

Además, las aminas primarias y secundarias tienen enlaces N-H que les

permiten formar puentes de hidrógeno. Las aminas terciarias, como no

tienen enlace N-H, no pueden formar este tipo de enlaces intermoleculares.

Sin embargo, pueden aceptar puentes de hidrógeno con moléculas que

tengan enlaces O-H o N-H. (Geocities, 2005)

2.2.3.2 Tipos de Amina

Las aminas se pueden clasificar según el número de grupos alquilo que

están unidos al nitrógeno. Si sólo hay uno, la amina es primaria. Si hay dos

grupos, la amina es secundaria y si hay tres es terciaria.

Figura 2.3 Clasificación de las Aminas.

2.2.3.3 Basicidad

Una amina puede comportarse como una base de Lewis, o como un

nucleófilo, debido al par de electrones no enlazantes sobre el átomo de

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Marco Metodológico

23

nitrógeno. Una amina puede actuar también como base de Bronsted - Lowry

aceptando el protón de un ácido, de acuerdo a la siguiente reacción:

(Geocities, 2005) (2.1)

(Geocities, 2005) (2.2)

Como las aminas son bases fuertes, sus disoluciones acuosas son

básicas. Una amina puede sustraer un protón del agua, formando un ión

amonio y un ión hidroxilo. A la constante de equilibrio de esta reacción se le

llama constante de basicidad de la amina y se representa por Kb.

(Geocities,2005)

(2.3)

Los valores de Kb para la mayoría de las aminas son del orden de 10-3 y

el equilibrio de la reacción de disociación se encuentra desplazado hacia la

izquierda.

Page 28: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

24

Todas las aminas, incluso las terciarias, forman puentes de hidrógeno

con disolventes hidroxílicos como el agua y los alcoholes. Por esta razón, las

aminas de bajo peso molecular (hasta 6 átomos de carbono) son

relativamente solubles en agua y en alcoholes. (Geocities, 2005)

(2.4)

A continuación, se muestra en la Figura 2.4, un diagrama de energía

para la reacción de una amina con agua.

Figura 2.4. Diagrama de Energía para la reacción de una amina con agua

(Geocities, 2005).

2.2.3.4 Alcanolaminas:

Las alcanolaminas son generalmente los solventes más adecuados

para la remoción de CO2 contenido en el gas natural. Esto se debe a su alta

reactividad y a su disponibilidad a bajo costo.

Toda alcanolamina tiene por lo menos en su estructura un grupo

oxidrilo y un grupo amino, el oxidrilo sirve para reducir la presión de vapor e

incrementar la solubilidad en agua y el grupo amino proporciona la

Page 29: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

25

alcalinidad necesaria en agua para promover la reacción de estas con gases

ácidos.

Las alcanolaminas consideradas en el endulzamiento del gas natural o

remoción de CO2 (gas ácido) son monoetanolamina (MEA), dietanolamina

(DEA), trietanolamina (TEA), diglicolamina (DGA), diisopropanolamina

(DIPA), y metildietanolamina (MDEA).

Todas estas son consideradas solventes químicamente estables

porque pueden ser calentados hasta su punto de ebullición sin

descomponerse, excepto la trietanolamina que se descompone a

temperaturas por debajo de su punto de ebullición normal de 680°F.

(Maddox, 1985)

Alcanolaminas utilizadas para el endulzamiento del gas:

• Monoetanolamina:

MEA es la base más fuerte entre todas las diferentes aminas por lo

que reacciona rápidamente con gases ácidos como el CO2. Por ser una

molécula pequeña (bajo peso molecular) tiene la mayor capacidad de

absorción de gases ácidos, esto generalmente se traduce en menor cantidad

de solvente circulando por el sistema para remover una cierta cantidad de

gas. Por otra parte la regeneración de la MEA es lleva a cabo fácilmente por

ser ésta un solvente químicamente estable.

Las ventajas de utilizar este solvente son su menor costo, una buena

estabilidad térmica, alta reactividad por ser una amina primaria y puede

remover CO2 hasta llegar a sólo 100 ppm, en procesos con presiones de baja

a moderada.

Entre las desventajas se tiene la alta presión de vapor lo que origina

mayor pérdida de amina comparada con las otras alcanolaminas, alto poder

corrosivo, altos requerimientos energéticos para su regeneración, debido a

su alto calor de reacción con el CO2 y la formación de productos de

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Marco Metodológico

26

degradación altamente corrosivos que no se pueden regenerar, por lo que el

sistema requiere una continua limpieza. (Maddox, 1985)

• Dietanolamina:

La DEA es una amina secundaria que posee una presión de vapor

menor que la MEA, por lo que la hace menos volátil, obteniéndose pérdidas

menores por vaporización. Luego de la regeneración la solución de DEA

generalmente tiene menor composición de gas ácido residual que la que

resulta con soluciones de MEA. Es menos corrosiva que la MEA y posee un

bajo costo. Es utilizada cuando se requiere remover grandes cantidades de

gases ácidos.

Las desventajas son su baja reactividad comparado con la MEA,

requiere mayor circulación por el sistema y no se puede eliminar sus

productos de degradación por los métodos tradicionales. (Maddox, 1985)

• Trietanolamina:

Aunque la TEA fue la primera amina utilizada comercialmente para

endulzar el gas natural, ha sido últimamente desplazada por la MEA, DEA o

DGA. Las aminas terciarias son menos reactivas con el CO2, el enlace

formado de esta reacción es extremadamente débil, por lo que con sólo una

disminución en la presión se rompe el enlace regenerándose la amina. Esta

poca reactiva se traduce en altos flujos de recirculación en el sistema.

(Maddox, 1985)

• Diglicolamina:

“The Fluor Corporation” patentó el proceso de diglicolamina y el

solvente DGA fue comercializado en los años 60 por “Fluor and Jefferson

Chemical Company”, un predecesor de la “Texaco Chemical and Hunstman

Corporation”.

Esta es una amina primaria y como tal tiene todas las ventajas, como:

alta reactividad, baja presión parcial en el equilibrio, que permite que su

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Marco Metodológico

27

concentración sea mayor comparada con la MEA, lo que disminuye la rata

de circulación de solvente en el sistema y excelente estabilidad térmica.

Entre las desventajas se tiene que se incrementan los costos por solvente

comparado con MEA.

La DGA reacciona con el CO2 para formar BHEEU (N,N, dihidroxi-

etanol urea), de acuerdo a la ecuación:

2RNH2 + CO2 (RNH)2CO + H2O (2.5)

Este producto de degradación es reversible a temperaturas de 340 a

360°F, por lo que es otra ventaja de este solvente. (Maddox, 1985)

Figura 2.5. Fórmula molecular de las alcanolaminas de interés en

endulzamiento de gas.

Page 32: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

28

Concentraciones de la solución:

MEA se utiliza comúnmente en concentraciones que oscilan entre

los 10 y 20% en peso en la solución. La concentración más frecuente es

aproximadamente 15%, pero su concentración puede ser aumentada hasta

30% siempre y cuando se utilicen inhibidores que contrarresten los

problemas de la corrosión debido a este aumento de la concentración.

La DEA también es utilizada de 10 a 20%. La “Societe Nationale

des Petroles d’Aquitaine” realizó una modificación en el proceso utilizando

una composición mayor de DEA llevándola a 30% o más. Esta

concentración más alta de DEA en la solución absorbe tanta cantidad de gas

ácido como lo hace una solución de TEA de 15 a 20%, esto se debe a su alto

peso molecular que disminuye la reactividad de la amina.

DIPA, DGA y MDEA también se utilizan en altas concentraciones.

Los rangos típicos de concentración para la DIPA y MDEA son de 30% a 50%

en peso en solución acuosa. La concentración de DGA está entre

aproximadamente 40% a 70% en peso. (Maddox, 1985)

2.2.4 Química de remoción de CO2 con alcanolaminas:

En una solución acuosa el CO2 se disocia para formar una solución

ligeramente ácida. Cuado una corriente de gas que contiene CO2 se pone en

contacto con una solución acuosa de amina, los gases ácidos reaccionan

para formar un complejo ácido-básico (una sal). La reacción entre el CO2 y la

amina es exotérmica, por lo que se libera calor durante la reacción.

La absorción de CO2 mediante alcanolaminas puede ocurrir por medio de

dos mecanismos. Cuando se disuelve en agua el CO2 se hidroliza para

formar el ácido carbónico, el cual muy lentamente se transforma en

bicarbonato. A partir de la formación del bicarbonato, se lleva a cabo la

reacción de este con la amina de acuerdo a:

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Marco Metodológico

29

CO2 + H2O H2CO3 (Ácido carbónico)

H2CO3 H+ + HCO3- (Bicarbonato) (Huntsman, 2005)

H+ + R1R2R3N R1R2R3NH+ (2.6)

CO2 + H2O + R1R2R3N R1R2R3NH+ HCO3-

Esta reacción ácido-base puede ocurrir con cualquier alcanolamina, pero

es cinéticamente lenta debido a que la etapa de disociación del ácido

carbónico a bicarbonato es relativamente lenta.

El segundo mecanismo de reacción requiere la presencia de al menos un

hidrógeno libre en la estructura molecular de la amina:

CO2 + R1R2NH R1R2N+HCOO- (Huntsman,2005)

R1R2N+HCOO- + R1R2NH R1R2NCOO- + R1R2NH2+ (2.7)

CO2 + 2R1R2NH R1R2NH2+R1R2NHCOO-

Este mecanismo de reacción se le llama “Formación de carbamato” y

puede solo ocurrir con aminas primarias y secundarias. El CO2 reacciona

con la molécula de amina para formar el carbamato, el cual reacciona con

una segunda molécula de amina para formar la sal de amina

correspondiente. La rata de absorción de CO2 a través de este mecanismo es

rápida, mucho más rápida que a través de la hidrólisis del CO2.

La estequiometría de la reacción del carbamato indica que la capacidad de

la solución de amina en reaccionar con el CO2 está limitada a 0.5 moles de

CO2 por mol de amina si sólo el producto de la reacción fuera el carbamato;

pero el carbamato se puede hidrolizar para formar el bicarbonato, liberando

la molécula de amina.

El hecho de que la absorción de CO2 se pueda llevar a cabo por dos

mecanismos de reacción con diferentes características cinéticas, determina

el poder de absorción de las diferentes aminas. Como el paso determinante

Page 34: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

30

en el segundo mecanismo es la formación del carbamato, será el que

diferenciará la rapidez de absorción entre las aminas primarias y

secundarias. Debido a que las aminas terciarias no pueden formar el

carbamato, están obligadas a reaccionar con el CO2 de acuerdo al primer

mecanismo (lento). (Huntsman Corporation, 2005)

2.2.5 Problemas generales de operación en la absorción con

alcanolaminas:

Los problemas de operación se pueden agrupar en las siguientes

categorías: corrosión, contaminantes en la solución de amina y formación de

espuma. Estos no necesariamente son problemas independientes, por esta

razón separarlos para discutirlos es muy difícil, por lo que acá se hace sólo

por conveniencia.

2.2.5.1 Corrosión:

Podemos definir la corrosión como el deterioro que sufre un material

(habitualmente un metal) en sus propiedades debido a una reacción con el

medio.

Tipos de Corrosión:

• Corrosión general: Cuando es en toda la superficie, se protege

con facilidad.

• Corrosión intercristalina: Se debe a las impurezas y no se

advierte a simple vista.

• Corrosión localizada: Se localiza en sitios poco visibles y pasa

desapercibida hasta que se rompe la pieza.

Corrosión en endulzamiento de gas con alcanolaminas

Si se estudian las características de cada solución de amina, da la

impresión de que la corrosión no sería un problema. Sin embargo muchas

aminas utilizan inhibidores de corrosión. Las aminas en soluciones acuosas

son básicas, aún en las condiciones en el rehervidor. Sin embargo la

Page 35: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

31

situación cambia drásticamente cuando el gas ácido esta presente, el efecto

que produce es la disminución del pH.

Poldermant (1955), reportó pruebas realizadas mostrando que una

solución de MEA al 20% en ausencia de gases ácidos es menos corrosiva que

lo que es el agua. Además reportaron que se puede convertir (a través de su

sal de carbonato) en productos corrosivos a las temperaturas encontradas en

las plantas de tratamiento del gas.

La presencia de gas ácido en el sistema proporciona corrosión

directa. Este tipo de corrosión es imposible de eliminar, se puede minimizar

o controlar a través de un diseño adecuado y una buena operación del

sistema. La corrosión será más severa en lugares donde las altas

concentraciones de gases ácidos alcancen las altas temperaturas. Estos

puntos incluyen el intercambiador amina-amina, la columna regeneradora y

el rehervidor. (Maddox, 1985)

2.2.5.2 Contaminantes en el circuito:

Los contaminantes en sistemas de endulzamiento de gas se forman

después de largos períodos de operación. Estos contaminantes contribuyen

a generar pérdidas de solventes, generando costos elevados para su

reposición.

Para reducir los contaminantes en el sistema es indispensable que estos

se monitoreen con análisis de laboratorio, se eliminen periódicamente del

sistema, para alcanzar la calidad necesaria de la amina y se reduzcan las

pérdidas de amina localizando y corrigiendo fugas que afecten al sistema.

Los contaminantes en sistemas de aminas son sales termoestables,

productos de degradación, químicos introducidos en el proceso,

hidrocarburos y otras partículas. Estos contaminantes provienen del agua

para realizar la solución de amina y reaccionan directamente con la amina;

entre estos tenemos: sodio, potasio, calcio, magnesio, cloro, sulfatos,

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Marco Metodológico

32

bicarbonatos, etc. Otra fuente de contaminantes en el sistema es el gas de

proceso, ya que éste puede contener trazas de compuestos de azufre e

hidrocarburos pesados. (Haws, 2003)

Las sales termoestables son moléculas que se forman de la unión entre

una amina protonada y un anión más fuerte que el CO2 o H2S, no son

regenerables, por lo que su formación acarrea pérdidas de solvente. Existen

diferentes tipos de aniones que se pueden encontrar en sistemas de

endulzamiento de gases, entre los cuales se tienen: orgánicos, como acetato,

formiato, glicolato, lactato, oxalato y propionato; e inorgánicos, como

cloruro, oxácidos inorgánicos de azufre, sulfito, sulfato, tiosulfato y

tiocianato. (Huntsman Corporation, 2005)

Las soluciones de amina se oxidarán lentamente cuando son

expuestas al aire o al oxigeno. Los productos de esta oxidación se llaman

productos de degradación térmica y causan pérdidas en la capacidad de la

amina, aumentando los problemas operacionales en el sistema como la

corrosión y la espuma. En caso de una degradación severa, el solvente

necesita ser reemplazado y su producto de degradación removido del

sistema. La oxidación puede ser minimizada usando una capa de gas inerte

en los tanques de almacenamiento de aminas.

Algunos de los productos de degradación remueven el CO2 del sistema

pero generalmente no son tan efectivos como la amina original, por esta

razón, representa una pérdida en la actividad de la solución. MEA y CO2

reaccionan bajo las condiciones encontradas en el rehervidor para formar

oxazolidona y en el sistema reacciona para formar N-(2-hidroxietil)-

etilendiamina, el cual es más básico que la MEA, pero las sales que forma

con los compuestos de azufre en el sistema son muy difíciles de regenerar.

(Anderson, 2000)

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Marco Metodológico

33

(Anderson, 2000)

(2.8)

2.2.5.3 Formación de Espuma:

La generación de espuma en el proceso de endulzamiento del gas

puede ser reconocida cuando se incrementan las pérdidas de amina, y se

reduce le eficiencia en la remoción de los gases ácidos, etc.

Algunos de los materiales que pueden causar problemas de formación

de espuma son:

Sólidos suspendidos

Hidrocarburos condensados

productos de la degradación de la amina.

todo material extraño como inhibidores de corrosión, lubricantes

de las válvulas o cualquier impureza en el agua.

Los problemas operacionales descritos anteriormente, siempre existirán

en el sistema, por lo que deberán ser controlados para evitar la severidad de

los mismos. Este control se lleva a cabo a través de la adición de inhibidores

de corrosión al sistema, filtros que remuevan los contaminantes y

antiespumantes.

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Marco Metodológico

34

2.2.5.4 Inhibidores de corrosión:

Sistemas de inhibidores de corrosión han sido desarrollados para

unidades que trabajan con aminas, particularmente con MEA, donde la

corrosión aparece de forma más severa. El sistema “UCAR amine guard

system” desarrollado por Union Carbide Corporation, es utilizado para

sistemas donde se requiere remover sólo CO2, y se utilizan composiciones de

hasta un 50% en peso y la carga de gas ácido tan alta como 0.5 moles por

moles de amina usados sin corrosión excesiva. Dow Chemical Company

también posee un sistema de inhibidores de corrosión para remover CO2,

pero también posee inhibidores para trabajar la remoción de ambos gases

ácidos, el CO2 y el H2S.

El sistema Amine Guard fue desarrollado por la empresa UOP para

sistemas de remoción de CO2 a partir de MEA. Su principal función es

introducir elementos al sistema que impidan en un alto grado la corrosión de

tuberías, torres haz de tubos, etc. del proceso. Esto se logra a través de la

formación de la capa pasivante. Este sistema contiene 3 inhibidores de

corrosión; inhibidor A, componente activo: Antimonio; inhibidor B,

componente activo: Ácido tartárico y por último el inhibidor C, cuyo

componente activo es el vanadio +5.

En este sistema el ácido tartárico es utilizado con el fin de que

durante la adición de los otros dos inhibidores la solución alcance un pH de

4.5 a 5, para obtener la disolución total de los mismos en el sistema.

El inhibidor C tiene su forma activa como vanadio +5, cuando éste

actúa se reduce a vanadio tetravalente (V+4), por lo que se hace

indispensable la oxidación del mismo introduciéndose aire al sistema. Este

inhibidor se debe monitorear para asegurar la formación de la película

protectora del material de la tubería. El sistema en recirculación debe

contener de 50-100 ppm de vanadio +5. Por ser un agente oxidante hace que

el hierro vaya de Fe+2 a Fe+3, para luego formar la capa pasivante.

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Marco Metodológico

35

La concentración total de vanadio en el sistema no debe ser menor de

400 ppm. El nivel normal de operación del vanadio total es de 500 ppm, pero

esta concentración puede ser menor como una consecuencia del aumento en

la concentración de hierro en el sistema. De manera general, el nivel del

vanadio total en el sistema se debe siempre mantener lo suficientemente alto

para asegurar que nunca caiga el nivel por debajo entre análisis. Una

concentración alta de vanadio proporciona protección adicional de corrosión.

El inhibidor A o el antimonio reacciona diferente, el precipita en

solución formando una capa pasivante que protege al metal del ataque de la

corrosión, este se analiza como partes por millón del metal antimonio (Sb), y

su nivel en solución se debe mantener entre 90-120 ppm. El mismo posee

una solubilidad limitada en la solución de MEA por lo que concentraciones

altas no favorecen la protección de la corrosión ya que son difíciles de

mantener.

2.2.5.5 Filtración:

La filtración se define como la separación de partículas sólidas o

semisólidas que están suspendidas en un fluido a su paso a través de un

medio poroso, fibroso o granular llamado medio filtrante.

En este tipo de sistemas el filtrado de la solución de amina es de

suma importancia, ya que los productos de degradación, así como las sales

termoestables formadas con ácidos más fuertes que el CO2, promueven la

corrosión, la espuma y el ensuciamiento de equipos en todo el sistema.

Diseñar filtros que permitan el paso de toda la solución de amina es

difícil y caro, ya que se tendría que remover grandes cantidades y partículas

de gran tamaño. A través de los años se ha estudiado cual podría ser la

mejor combinación de filtros para estos procesos, obteniéndose que la

utilización de filtros que limpiarán del 10-20% de la corriente total de

recirculación son los más adecuados, con una configuración de filtro

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Marco Metodológico

36

mecánico, filtro de carbón activado, filtro mecánico como se muestra en la

Figura 2.6:

Filtro de Carbón activado

Filtro Filtro mecánico mecánico

10-20% recirculación

Figura 2.6. Configuración de los filtros en sistemas de alcanolamina

(Maddox, 1985).

EL filtro mecánico remueve sólidos suspendidos y disueltos en el

sistema, y el carbón activado permite remover productos orgánicos como los

resultantes de la degradación de la amina, causantes de la espuma y de el

arrastre excesivo de amina en las torres de absorción y regeneración, así

como permite bajar la rata de recirculación de amina o la concentración de

la misma, al depurarla y haciendo que trabaje con una mayor eficiencia.

(Maddox, 1985)

2.2.5.6 Antiespumantes:

Muchas veces la regeneración de los productos de degradación y una

filtración no resuelve la formación de espuma. En este caso el

antiespumante es necesario. El antiespumante nunca debe ser utilizado en

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Marco Metodológico

37

planta antes de ser estudiado a escala de laboratorio, ya que algunos que

trabajan en una situación determinada no lo hace en otra.

Es importante recalcar también que el antiespumante no resuelve el

problema, lo que hace es controlarlo. Hay que seguir buscando la causa de

la formación de espuma hasta que se localice y se elimine.

Al utilizar un antiespumante la concentración debe ser controlada

cuidadosamente ya que mucho antiespumante puede favorecer la formación

de espuma. (Maddox, 1985)

2.2.6 COLUMNAS DE PLATOS:

Las torres de platos son cilindros verticales en el que el líquido y el gas se

ponen en contacto en forma de pasos sobre platos. La torre puede fabricarse

de diferentes materiales, según las condiciones de corrosión encontradas. Se

utilizan vidrio, metales vidriados, carbón impermeable, plásticos y aún

madera, pero con mayor frecuencia metales. Para torres metálicas las

cubiertas son generalmente cilíndricas, debido a su costo. Con el fin de

facilitar la limpieza, las torres de diámetro pequeño tienen orificio para las

manos; las de diámetro grande tienen entradas para una persona, cada

décimo plato aproximadamente. (Treybal, 2001)

2.2.6.1 Platos

Tipos de platos

Las columnas que se utilizan para el contacto líquido gas se pueden

clasificar según el tipo de flujo en sus dispositivos internos de contacto:

• Platos de Flujo Cruzado

El plato de flujo cruzado utiliza un ducto descendente para

líquidos, con el fin de alcanzar la estabilidad que se desea y una buena

eficiencia de transferencia, y se emplea más que el plato a contracorriente,

debido a ventajas de eficiencia de transferencia y al intervalo operacional que

es más amplio.

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Marco Metodológico

38

La fracción de área trasversal de la columna disponible para los

dispersadores de gas (orificios y cachuchas de burbujeo) disminuye cuando

se utiliza más de un ducto descendente. Así el diseño óptimo del plato

incluye un equilibrio entre el acomodo del flujo del líquido y el empleo

eficiente de la sección transversal para el flujo de gas.

La mayor parte de los nuevos diseños de platos de flujo cruzado utilizan

perforaciones para dispersar el gas en el líquido sobre los platos. Estas

perforaciones pueden ser orificios redondos simples o contener “válvulas”

móviles con orificios variables sin forma circular. Estos platos perforados se

denominan platos de malla o platos de válvulas

El plato de válvulas se diseña para minimizar este drenaje o purga,

puesto que la válvula tiende a cerrarse cuando baja el flujo de gas, de modo

que el área total varía para mantener un balance dinámico de presión en el

plato.

La configuración del plato consiste de:

o Zona activa de dispersión de vapor

o Zona de soporte y refuerzo periférico

o Zona de separación o distribución

o Zona de distribución

o Zona de bajante

• Platos a Contracorriente

En los platos a contracorriente, el líquido y el gas fluyen por las mismas

aberturas. Por tanto no hay ductos descendentes. Los orificios suelen ser

perforaciones redondas simples (plato de flujo doble) o ranuras largas (plato

Turbogrid). El material del plato se puede corrugar (plato Ripple) para

segregar parcialmente el flujo de gas y el de líquido.

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Marco Metodológico

39

Otro plato utilizado con frecuencia para el contacto de gases con líquidos

que contienen sólidos es el plato deflector (baffle) o “plataforma de

aspersión”.

Este plato tiene forma de media luna y una ligera inclinación en el

sentido del flujo de líquido. El gas entra en contacto con el líquido cuando se

desborda del plato y se puede emplear un vertedero o un borde dentado en el

plato, para mejorar la distribución del líquido en la aspersión. El plato

deflector funciona con líquido disperso y gas como fase continua y se utiliza

primordialmente en aplicaciones de transferencia de calor.

La configuración para este tipo de plato es muy simple; su área abierta va

del 15 al 30% de la sección transversal total, en comparación con 5 a 15%

para los platos de malla y 8 a 15% para platos de cachucha. Los tamaños

de orificio van de 6 a 25 mm y las anchuras de las ranuras de 6 a 12 mm.

Los platos Turbogrid y Ripple son dispositivos patentados.

Espaciamiento entre los platos

Generalmente, el espaciamiento entre los platos se escoge con base

en la facilidad para la construcción, mantenimiento y costo; posteriormente

se verifica para evitar cualquier inundación y arrastre excesivo del líquido en

el gas. Para casos especiales en que la altura de la torre es de importancia,

se han usado espaciamiento de 15 cm (6 in). Para todos los diámetros,

excepto para los diámetros más pequeños de la torre, parece que 50 cm (20

in) es un mínimo aceptable desde el punto de vista de la limpieza de los

platos.

Eficiencia de los platos

La eficiencia de los platos es la aproximación fraccionaria a la etapa

en el equilibrio que se obtiene con un pato real. Es indudable que se

necesita una medida de la aproximación al equilibrio de todo el vapor y el

líquido del plato; sin embargo, como las condiciones en varias zonas del

plato pueden diferir, se empieza considerando la eficiencia local, o puntual,

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Marco Metodológico

40

de la transferencia de masa en un punto particular de la superficie del plato.

(Perry, 1992)

Esta eficiencia de un plato depende de tres conjuntos de parámetros de

diseño:

• El sistema: composiciones y propiedades

• Condiciones de flujo: velocidad de paso

• Geometría: tipo y dimensiones del plato

2.2.6.2 Diámetro de la Columna

El diámetro de la torre y, en consecuencia, su área transversal debe ser

lo suficientemente grande para manejar el flujo del gas y del líquido dentro

de la región de operación satisfactoria.

En la mayoría de las instalaciones, el costo hace impráctico variar el

diámetro de la torre de un lado a otro de la misma para ajustar variaciones

en el flujo del gas o del líquido; se utilizan las cantidades máximas de flujo

para fijar un diámetro uniforme. El diámetro requerido de la torre puede

disminuirse utilizando un mayor espaciamiento de los platos, de tal forma

que el costo de la torre, que depende tanto de la altura como del diámetro, se

vuelve mínimo con cierto espaciamiento óptimo. (Treybal, 2001)

2.2.6.3 Capacidad de la Columna:

La capacidad máxima permisible de un plato para manejar flujos de gas

y de líquido es de gran importancia porque a través de ésta se fija el

diámetro mínimo posible de la columna. Para un flujo constante de líquido,

el aumento del flujo de gas da como resultado un arrastre excesivo y una

inundación. En el punto de inundación es difícil obtener un flujo

descendente neto del líquido y el líquido que se alimente a la columna se irá

con el gas superior, la caída de presión en la columna se hace muy grande y

su control resulta difícil. Para efecto de diseño es indispensable que se

trabaje con un margen seguro por debajo de esta condición máxima

permisible.

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Marco Metodológico

41

La inundación también se puede producir al incrementar el flujo de

líquido y mantener constante el del gas. El flujo excesivo de líquido puede

superar la capacidad de los bajantes u otros pasajes, con el resultado final

de que aumenta el inventario de líquido, se incrementa la caída de presión y

se presentan otras características de una columna inundada.

Estos tipos de inundación se toman en cuenta por separado para evaluar

la capacidad de la columna, ya que cuando cualquiera de esos tipos de

inundación destruye la acción de contracorriente, se pierde la eficiencia de

transferencia y se sobrepasan los límites razonables de diseño.

2.2.6.4 Gradiente Hidráulico

El gradiente hidráulico es la carga de líquido que se necesita para

vencer la resistencia de fricción al paso del líquido (espuma) por el plato, es

importante para la estabilidad de éste último, puesto que se trata de la única

carga de líquido que varía a todo lo largo del pasaje. Si el gradiente es

excesivo, la porción de corriente arriba del plato puede dejar de funcionar,

debido a la mayor resistencia al flujo de gas provocada por la mayor carga de

líquido (Perry, 1992).

2.2.6.5 Inversión de fases

Por lo general, la mezcla de las dos fases en el plato tienen la forma de un

líquido espumoso o aireado y esta mezcla de líquido continuo se conoce

como “espuma”. Sin embargo a elevadas velocidades del gas y bajas

velocidades del líquido, el régimen se puede invertir y pasar a ser un “rocío”

continuo de gas que comprende muchas gotitas líquidas de varios diámetros.

En apariencia, el rocío se ve favorecido por las altas velocidades

superficiales de gas, bajas áreas de las perforaciones (velocidades altas en

los orificios), velocidades bajas de líquido y diámetros grandes de las

perforaciones (Perry, 1992).

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Marco Metodológico

42

2.2.6.6 Arrastre

El arrastre en una columna de platos es el líquido que se transporta

junto con el gas de un plato al inmediatamente superior. Es perjudicial

debido a que reduce la eficiencia del plato, porque el líquido de un plato de

volatilidad más baja se transporta a otro de volatilidad más elevada, de modo

que se diluyen los efectos de la destilación o absorción. El arrastre es

también perjudicial cuando se transportan impurezas no volátiles hacia

arriba para contaminar el producto superior de la columna.

La variable predominante que afecta al arrastre es la velocidad del gas,

que pasa a través de la zona que contiene espuma o rocío; por lo que es de

esperar que el arrastre sea más significativo cuando las condiciones de flujo

se aproximan a las que favorecen el régimen de rocío y que son comunes en

las destilaciones al vacío y las absorciones a bajas presiones.

2.2.7 TORRES EMPACADAS:

Las Torres empacadas son columnas verticales que se han llenado con

empaque o con dispositivos de superficie grande, utilizadas para el contacto

continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a

corriente paralela. El líquido se distribuye sobre el empaque y escurre hacia

abajo, a través del lecho, de tal forma que expone una gran superficie al

contacto con el gas. (Treybal, 2001)

2.2.7.1 Empaque:

El empaque de la torre debe ofrecer las siguientes características:

• Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el

gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacado

debe ser grande, pero no en el sentido microscópico.

• Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto

significa que el volumen fraccionario vacío o fracción de espacio vacío en el

lecho empacado debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de

grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas secciones transversales

de la torre, sin recargo o inundación; debe ser baja la caída de presión en el

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Marco Metodológico

43

gas. Mas aun la caída de presión debe ser principalmente el resultado de la

fricción pelicular, si es posible, puesto que es más efectivo que formar

arrastres al promover valores elevados de los coeficientes de transferencia de

masa.

• Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están

procesando.

• Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la

instalación.

• Tener bajo presión (Treybal, 2001).

Empaques al azar:

Los empaques al azar son aquellos que simplemente se arrojan en

la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria.

Anteriormente se utilizaron materiales fácilmente obtenibles como piedras

rotas, grava o pedazos de coque; aunque estos materiales resultan baratos,

no son adecuados debido a la pequeña superficie y malas características con

respecto al flujo de fluidos. Actualmente, son fabricados los empaques al

azar en metal, cerámica, plásticos, etc.

Los anillos de Rasching son cilindros huecos, cuyo diámetro va de

6 a 100 mm o más. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil

para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis

y ácido fluorhídrico; de carbón, que es útil excepto en atmósferas altamente

oxidantes; de metales o de plásticos. Los plásticos deben escogerse con

especial cuidado, puesto que se pueden deteriorar, rápidamente y con

temperaturas apenas elevadas, con ciertos solventes orgánicos y con gases

que contienen oxígeno.

Los empaques de hojas delgadas de metal y de plástico ofrecen la

ventaja de ser ligeros, pero al fijar los límites de carga se debe prever que la

torre puede llenarse inadvertidamente con líquido. Los anillos de Lessing y

otros con particiones internas se utilizan con menos frecuencia. Los

empaques con forma de silla de montar, los de Berl o Intalox y sus

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Marco Metodológico

44

variaciones se pueden conseguir en tamaños de 6 a 75 mm; se fabrican de

porcelanas químicas o plásticos. Los anillos de Pall, también conocidos como

Flexirings, anillos de cascada y, como una variación, los Hy-Pak, se pueden

obtener de metal y de plástico. Los Tellerettes y algunas de sus

modificaciones se pueden conseguir con la forma que se muestra y en

plástico.

Generalmente, los tamaños más pequeños de empaques al azar

ofrecen superficies específicas mayores (y mayores caídas de presión), pero

los tamaños mayores cuestan menos por unidad de volumen. Los tamaños

de empaque de 25 mm o mayores se utilizan generalmente para un flujo de

gas de 0.25 m3/s, 50 mm o mayores para el flujo de gas de 1 m3 /s. Durante

la instalación, los empaque se vierten en la torre, de forma que caigan

aleatoriamente; con el fin de prevenir la ruptura de empaques de cerámica o

carbón, la torre puede llenarse inicialmente con agua para reducir la

velocidad de caída (Perry, 1992).

Empaques regulares:

Los empaques regulares ofrecen las ventajas de una menor caída

de presión para el gas y un flujo mayor, generalmente a expensas de una

instalación más costosa que la necesaria para los empaques aleatorios.

Los anillos hacinados de Rasching son económicos sólo en

tamaños muy grandes. Hay varias modificaciones de los empaques metálicos

expandidos. Las rejillas o “vallas” de madera no son caras y se utilizan con

frecuencia cuando se requieren volúmenes vacíos grandes; como en los

gases que llevan consigo el alquitrán de los hornos de coque, o los líquidos

que tienen partículas sólidas en suspensión. La malla de lana de alambre

tejida o de otro tipo, enrollada en un cilindro como si fuese tela (Neo-Kloss),

u otros arreglos de gasa metálica (Koch-Sulzer, Hyperfil y Goodloe)

proporcionan una superficie interfacial grande de líquido y gas en contacto y

una caída de presión muy pequeña; son especialmente útiles en la

destilación al vacío. (Perry, 1992)

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Marco Metodológico

45

2.2.7.2 Cuerpo de la Torre:

Esta puede ser de madera, metal, porcelana química, ladrillo a

prueba de ácidos, vidrio, plástico, metal cubierto de plástico o vidrio, u otro

material, según las condiciones de corrosión. Para facilitar su construcción y

aumentar su resistencia, generalmente son circulares en la sección

trasversal. (Perry, 1992)

2.2.7.3 Soportes de empaque:

Es necesario un espacio abierto en el fondo de la torre, para

asegurar la buena distribución del gas en el empaque. En consecuencia el

empaque debe quedar soportado sobre el espacio abierto. Por supuesto, el

soporte debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso de una

altura razonable de empaque; debe tener un área libre suficientemente

amplia para permitir el flujo del líquido y del gas con un mínimo de

restricción.

Puede utilizarse una rejilla de barras, pero se prefieren los soportes

especialmente diseñados que proporcionan paso separado para el gas y el

líquido, en el cual su área libre para el flujo es del orden del 85%; pueden

fabricarse en varias modificaciones y diferentes materiales, inclusive en

metales, metales expandidos, cerámica y plásticos. (Perry, 1992)

2.2.7.4 Distribución del líquido:

El empaque en seco no es efectivo para la transferencia de masa,

por lo es necesario la utilización de diferentes dispositivos para la

distribución del líquido a través del empaque.

Las boquillas aspersoras no son útiles, porque generalmente

provocan que mucho líquido sea arrastrado en el gas. El arreglo que consta

de un anillo de tubo perforado puede utilizarse para torres pequeñas.

Generalmente se considera necesario proporcionar al menos cinco

puntos de introducción del líquido por cada 0.1 m2 (1 ft2) de sección

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Marco Metodológico

46

transversal de la torre para torres grandes (d≥1.2 m = 4 ft) y un número

mayor para diámetros pequeños. (Perry, 1992)

2.2.7.5 Contenedores de empaque:

Los contenedores son necesarios cuando la velocidad del gas es

elevada; generalmente son deseables para evitar el levantamiento del

empaque durante un aumento repentino del gas. Las pantallas o barras

gruesas pueden utilizarse. Para el empaque de cerámica gruesa, se pueden

utilizar platos que descansen libremente sobre la parte superior del

empaque. Para empaques de plástico y otros empaques ligeros, los

contenedores están unidos al cuerpo de la torre. (Perry, 1992)

2.2.7.6 Eliminadores del arrastre:

A velocidades elevadas de gas, especialmente el gas que abandona

la parte superior del empaque puede acarrear gotitas del líquido como una

niebla. Ésta puede eliminarse por medio de eliminadores de neblina, a través

de los cuales debe pasar el gas; los eliminadores se instalan sobre la entrada

del líquido. Una capa de malla (alambre, teflón, polietileno u otro material),

entretejida especialmente con espacios del 98-99%, aproximadamente de

100 mm de espesor, colectará prácticamente todas las partículas de neblina.

Otros tipos de eliminadores incluyen ciclones y rearreglos del tipo de

persianas venecianas. Un metro de empaque al azar seco es muy efectivo.

(Perry, 1992)

2.2.8 Intercambiadores de Calor:

La función básica de los intercambiadores es la transferencia de energía

térmica entre dos o más fluidos a diferente temperatura. El calor fluye, como

resultado del gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el frío

a través de una pared de separación, la cual se le denomina superficie o área

de transferencia de calor.

En resumen, las funciones típicas de un intercambiador de calor en los

procesos industriales son las siguientes:

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Marco Metodológico

47

• Recuperación de calor: la corriente fría recupera parte del calor

contenido en la corriente caliente. Es decir, calentamiento y enfriamiento de

las corrientes involucradas, las cuales fluyen simultáneamente a ambos

lados del área de transferencia de calor.

• Evaporación: una de las corrientes involucradas en el intercambio de

calor cambia de fase líquida a vapor.

• Condensación: una de las corrientes involucradas en el intercambio

de calor cambia de fase vapor a fase líquida.

La importancia de los intercambiadores en el ámbito industrial es enorme al

ser uno de los principales equipos presentes en cualquier planta por

pequeña que sea, donde se necesite la transferencia de calor. (PDVSA, 1995)

2.2.8.1 Proceso de transferencia de Calor:

Calor sensible:

La mayoría de las aplicaciones de los procesos de transferencia de

calor sin cambio de fase involucran el mecanismo de transferencia de

convección forzada, tanto dentro de los tubos como sobre superficies

externas. Como se menciono previamente, el coeficiente de transferencia de

calor por convección depende de parámetros de dinámica de fluido, por

ejemplo la velocidad. En base al movimiento de fluido, el flujo dentro de los

tubos se divide en tres regímenes de flujo, los cuales son medidos mediante

un parámetro adimensional, llamado número de Reynolds, el cual es una

indicación de la turbulencia del flujo.

Los regímenes de flujo son:

• Flujo laminar: número de Reynolds menor que 2.100.

• Flujo de transición: número de Reynolds entre 2.100 y 10.000.

• Flujo turbulento: número de Reynolds mayor que 10.000.

Para cada uno de estos regímenes de flujo han sido desarrollados

ecuaciones semi–empíricas, usadas para describir y predecir adecuadamente

la transferencia de calor en la región en consideración.

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Marco Metodológico

48

Aunque los coeficientes de transferencia de calor para flujo

laminar son considerablemente mas pequeños que para flujo Turbulento, en

algunas casos se prefiere el flujo laminar para reducir costos de bombeo. El

mecanismo de transferencia de calor en este régimen de flujo es básicamente

por conducción.

En cuanto al fenómeno de transferencia de calor por convección

forzada sobre superficies externas, es importante mencionar que el proceso

de transferencia de calor esta íntimamente relacionado con la naturaleza del

flujo; por ejemplo, la transferencia de calor sobre un haz de tubos depende

del patrón de flujo y del grado de turbulencia; es decir, es función de la

velocidad del fluido y del tamaño y arreglo de los tubos. Debido a la

complejidad del flujo en estos casos de transferencia calor sobre superficies

externas dificulta su tratamiento analítico, las ecuaciones disponibles para

el cálculo del coeficiente de transferencia de calor se han desarrollado

completamente en base a datos experimentales. (PDVSA, 1995)

Condensación

Condensación, una de las operaciones de transferencia de calor

más importantes, es un proceso convectivo, mediante el cual el vapor es

convertido en líquido cuando el vapor saturado entra en contacto con una

superficie a temperatura mas baja.

Si el líquido condensado humedece la superficie formando una

película continua de líquido, sobre la superficie, el proceso se denomina

Condensación tipo película. La película actúa como un material aislante de

la superficie y representa una resistencia o barrera a la transferencia de

calor (Ver figura 2.8b).

Si por el contrario el líquido condensado no humedece la

superficie, se forman gotas de líquido las cuales crecen lo suficiente para

moverse al azar sobre la superficie por efecto de la gravedad, el proceso se

denomina Condensación por gotas. En este proceso, porciones de

superficie están directamente expuestas al vapor, no existiendo resistencia al

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Marco Metodológico

49

flujo de calor, por lo que se experimenta ratas de transferencia de calor mas

elevadas que en la condensación tipo película.

La mayoría de las superficies tienden a la formación de película

después de ser expuestas al vapor condensado durante un largo período de

tiempo. Se ha intentado fomentar la condensación por gotas mediante el uso

de aditivos al vapor y tratamiento de la superficie (por ejemplo,

revestimiento), pero todos sin éxito, debido al incremento de costos

operacionales (PDVSA, 1995).

(a) (b)

Figura 2. 7. (a) Condensación por gotas. (b) Condensación tipo película.

Si las gotas de condensado se forman en la masa de la corriente de

vapor, en lugar de sobre la superficie, el proceso se denomina Condensación

homogénea. Esta situación puede ocurrir en condensadores parciales o en

corrientes de vapor con gases incondensables, cuando el vapor o la mezcla

gas–vapor es enfriado por debajo del punto de rocío.

Figura 2. 8. Condensación Homogénea (PDVSA, 1995).

Cuando el vapor condensa produciendo dos fases liquidas (por

ejemplo, una mezcla de vapores de agua e hidrocarburos), el proceso se

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Marco Metodológico

50

conoce como Condensación de líquidos inmiscibles. En estos casos, el

patrón de condensación es variable. Un enfoque conservador supone la

presencia de dos películas de condensado y el calor se transfiere a través de

ambas películas en serie. Otro enfoque supone condensación tipo película

para una de las fases, mientras que la otra forma gotas sobre la superficie de

la película. (PDVSA, 1995)

Figura 2. 9. Condensación de líquidos inmiscibles (PDVSA, 1995).

Vaporización

La vaporización puede ser definida como la adición de calor a una

masa líquida, en tal magnitud, que ocurre la generación de vapor. Es un

proceso convectivo que involucra cambio de fase de líquido a vapor y ocurre

cuando una superficie es expuesta a un liquido y mantenida a la

temperatura de saturación de ese líquido, dependiendo el flujo de calor de la

diferencia de temperatura entre la superficie y la condición de saturación.

Inicialmente no se forman burbujas o gotas de vapor y la

transferencia de calor se da por convección natural. En el área cerca de

superficie caliente, el líquido absorbe un pequeño sobrecalentamiento y es

subsecuentemente evaporado en la medida que se mueve hacia la superficie

del líquido. Seguidamente, comienzan a formarse burbujas en la superficie

de transferencia, las cuales inicialmente desaparecen por condensación en la

masa de líquido, al desprenderse de la superficie. A medida que la diferencia

de temperatura se incrementa, crece el número de burbujas y solo alguna de

ellas desaparecen en la superficie del líquido. (PDVSA, 1995)

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Marco Metodológico

51

2.2.8.2 Tipos de Intercambiadores:

Los intercambiadores son diseñados para satisfacer requerimientos

específicos, existiendo en el mercado una gran diversidad de tipos que

difieren en tamaño y forma. Estos tipos son clasificados de acuerdo a

diferentes criterios, tales como procesos y mecanismos de transferencia de

calor, grado de compacticidad de la superficie, patrón de flujo, número de

fluidos, geometría y tipo de construcción.

Intercambiador de tubo y carcasa.

Es considerado como uno de los equipos de transferencia de calor

más importante, debido a que por su estructura es posible crear infinidad de

tipos de intercambiadores. Básicamente consisten en una serie de tubos

colocados dentro de una coraza.

No es caro, es fácil de limpiar y relativamente fácil de construir en

diferentes tamaños y puede ser diseñado para presiones desde moderadas a

altas, sin que varíe sustancialmente el costo. Mecánicamente resistente para

soportar las tensiones a la cual es sometido durante la etapa de fabricación,

el envío, montaje e instalación en sitio; y los esfuerzos externos e internos en

las condiciones normales de operación, debido a los cambios en temperatura

y presión. Fácil de mantener y reparar (aquellas partes sujetas a fallas

frecuentes, tubos y empacaduras, son fáciles de reemplazar).

El intercambiador de carcasa y tubos es utilizado cuando se necesitan

superficies grandes de transferencia de calor y el mismo surge en respuesta

a la demanda de procesos industriales para los cuales los ya existentes

intercambiadores doble tubo eran poco prácticos, pues para cumplir con las

especificaciones del proceso se requería de una cantidad considerable de

éstos, lo cual se traducía en un gran consumo de espacio.

Cada fluido en el intercambiador, luego de transferir calor puede

retornar al mismo y ejecutar un nuevo intercambio una y más veces. Cada

recorrido por el intercambiador se conoce como paso del fluido. Así existirán

intercambiadores de 1 paso por la carcasa y de 1 a 2, 4, 6 y 8 pasos por los

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Marco Metodológico

52

tubos, 2 pasos por la carcasa y de 1 a 2, 4, 6, y 8 pasos por los tubos y

algunas otras combinaciones posibles.

• Partes del Intercambiador de Tubo y Coraza:

Las partes más importantes del intercambiador en caso son:

o Tubos: Pueden ser de acero, cobre, aleaciones de

aluminio-bronce y acero inoxidable. Los espesores están determinados por

catálogos de BWG. Tienen tamaños estándar y diámetros externos que

varían entre ¾ a 1½ de pulgada. Para disponer los tubos existen tres tipos

de arreglo (triangular, cuadrado y romboidal) y se les pueden colocar aletas

para aumentar la transferencia de calor. También pueden tener varios pasos

a través del equipo los cuales son 1, 2, 4 u 8 pasos de tubos.

o Carcasa: Los tamaños pueden variar desde 8 hasta 120

pulgadas. Para los d < 12’’ se utilizan tuberías estándares de acero y para d

> 12’’ se usan placas de acero. El número de tubos que entran en una coraza

está determinado por las normas de la Tubular Exchanger Manufactures

Association (TEMA). Estas tablas muestran el número de tubos dentro de un

intercambiador, conocido el diámetro interno de la coraza, el tipo de arreglo,

el pitch, el diámetro de los tubos y el tipo de cabezal a utilizar.

o Deflectores: Conocidos también como baffles, son

dispositivos que se colocan en la coraza con el propósito de aumentar la

turbulencia para incrementar la transferencia de calor. Los más comunes

para los equipos de tubo y coraza es usar deflectores segmentados; los

cuales consisten en una lámina de metal perforada y segmentada que se

coloca a una altura equivalente del 75% (generalmente) del diámetro interno

de la coraza. Otros deflectores son el de orificio y el de disco y corona, los

cuales no son muy utilizados.

o Cabezal de tubos: Es la que permite la distribución del

fluido que pasa por los tubos. Existen tres tipos:

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Marco Metodológico

53

Cabezal fijo: En este tipo se colocan los cabezales sin

libertad de movimiento dentro de la coraza, ya sean soldados o atornillados.

La expansión térmica en este tipo de cabezal puede producir grandes

esfuerzos en los tubos haciendo que estos se dañen, por lo que es necesario

acoplarle una junta de expansión térmica para así disminuir el esfuerzo.

Cabezal flotante: Permite evitar los esfuerzos

producidos por la expansión y contracción de los tubos causados por la

temperatura, ya que en él los tubos están dispuestos de tal forma que son

independientes de la coraza mediante una junta elástica, que puede ser del

tipo mecánico o viscoelástico.

Tubos en U: Los tubos U también permiten la libre

dilatación de los tubos. Debido a que el diámetro más pequeño al cual se

puede doblar un tubo de este tipo sin deformar el diámetro exterior es de

tres a cuatro veces el diámetro del tubo, esto trae como consecuencia que se

tengan que omitir algunos tubos en el centro del haz.

Figura 2.10. Partes de un Intercambiador de tubo y carcasa (PDVSA,

1995).

Conexión de drenaje

Anillo de izamiento

Boquilla del canal

Canal

Divisor de pasos

Cubierta del canal

Placa de tubo fija

Boquilla del canal Canal

de la carcasa Silla de soporte

Conexión para instrumentación

Boquilla de la carcasa

Cubierta de la

carcasa

Cabezal flotante

Placa de tubo flotante

Conexión de venteo

Anillo de izamiento

Brida del

cabezal flotante

Brida del extremo de la cubierta de

carcasa

Carcasa

Deflectores transversales

Boquilla de la carcasa

Barras tirantes y espaciadoras Deflectores

de choque

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Marco Metodológico

54

• Tipos de Intercambiadores de tubo y carcasa:

Hay tres tipos básicos de intercambiadores de tubo y carcaza,

dependiendo del método utilizado para mantener los tubos dentro de la

carcaza.

o Intercambiadores de placa de tubos fija o de cabezal fijo

En este caso, el equipo tiene tubos rectos, asegurados en ambos

extremos en placas de tubos soldados a la carcaza. En este tipo de

construcción, algunas veces es necesario incorporar en la carcaza una junta

de expansión o una junta de empaques, debido a la expansión diferencial de

la carcaza y los tubos. Esta expansión se debe a la operación del equipo a

diferentes temperaturas y a la utilización de diferentes materiales en la

construcción. El haz de tubos no puede ser removido para inspección y

limpieza, pero el cabezal en el lado de los tubos, las empacaduras, la

cubierta del canal, etc. son accesibles para mantenimiento y reemplazo de

las partes. La carcaza puede ser limpiada por retrolavado o químicamente.

Los intercambiadores de cabezal fijo son usados en servicios

donde el fluido de la carcaza es un fluido limpio, como vapor de agua, etc.

(PDVSA, 1995)

o Intercambiadores con tubos en U

Este tipo de intercambiador utiliza tubos en forma de U, con

ambos extremos de los tubos sujetados a una placa de tubos simple,

eliminándose así los problemas de expansión diferencial porque los tubos

pueden expandirse y contraerse libremente, la forma de U absorbe estos

cambios.

El haz de tubos puede ser removido de la carcaza para

inspección y limpieza; pero la limpieza mecánica interna de los tubos y su

reemplazo es difícil, por lo que este tipo de intercambiadores es usualmente

aplicable en servicios limpios o cuando la limpieza química es efectiva.

(PDVSA, 1995)

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Marco Metodológico

55

o Intercambiadores de cabezal flotante

Al igual que las unidades de cabezal fijo, presenta dos placas

de tubos, pero con solo una de ellas soldada a la carcaza y la otra

moviéndose libremente, y así evitando los problemas de expansión

diferencial. El haz de tubos de este tipo de intercambiador puede removerse

para mantenimiento y para la limpieza mecánica de la carcaza y los tubos,

también, pueden ser limpiados mecánicamente tanto en su exterior como en

su interior. Este equipo es apropiado para servicios asociados a altas

temperatura y presiones, pero limitado a aquellos servicios donde la fuga del

fluido contenido en la carcaza es tolerable.

Los intercambiadores de carcaza y tubos se diseñan y fabrican de

acuerdo a los estándares de la Asociación de Fabricantes de

Intercambiadores tubulares (Tubular Exchanger Manufacturers Association

“TEMA”). Para esta asociación existen tres clases estándares de construcción

mecánica de intercambiadores: R, C y B.

El equipo que se fabrica de acuerdo a los patrones de la Clase R,

cumplen con todos los requisitos para los servicios que involucran una

transferencia de calor elevada.

Los construidos de acuerdo a la clase C, se caracterizan por bajas

tendencias a la corrosión y ensuciamiento, requiriendo factores de

ensuciamiento que no exceden de 0.00035 m2°C/W y límites permisibles de

corrosión que no excedan 3.0 mm (1/8 pulg), para la unidad que se esté

considerando. Este tipo de unidades pueden ser consideradas como equipos

cuya frecuencia de mantenimiento es baja.

Aunque las unidades que se fabrican de acuerdo a la Clase R o a la

Clase C, cumplen con todos los requisitos de los códigos pertinentes, (ASME

u otros códigos nacionales); las unidades Clase C se diseñan para lograr una

mayor economía, pudiéndose conseguir un ahorro en costos de hasta el 5%

con respecto a las unidades Clase R (PDVSA, 1995).

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Marco Metodológico

56

Enfriadores de aire

Los enfriadores de aire consisten de uno o más ventiladores de flujo

axial, velocidades relativamente bajas y diámetros grandes, que forzan o

inducen al aire a fluir a través de un banco de tubos, generalmente con

aletas.

La configuración básica de una unidad es un banco de tubos

aleteados montado sobre una estructura de acero con una cámara de pleno

y un anillo vénturi, un motor y otros accesorios como persianas, guarda

ventilador, alambrado e interruptores de vibración.

En general, los enfriadores de aire resultan especialmente atractivos

en aquéllas localidades donde el agua escasea o requieren un tratamiento

costoso como una torre de enfriamiento, donde las leyes de contaminación

ambiental establezcan requisitos estrictos para los efluentes de agua, donde

la expansión de los sistemas de agua de enfriamiento sea necesaria, o donde

la naturaleza del medio enfriante cause taponamientos frecuentes o

problemas de corrosión.

En resumen, estas unidades requieren una inversión inicial mas alta

que los enfriadores de agua pero los costos de operación y mantenimiento

son menores. Estos equipos se utilizan con frecuencia en combinación con

enfriadores de agua, cuando se requiere remover una gran cantidad de calor.

En este caso los enfriadores de aire remueven primero la mayor parte del

calor y el enfriamiento final se consigue con los de agua.

Estas unidades aún con el ventilador apagado, son capaces de

remover por convección natural entre 15 y 35% del calor de diseño,

dependiendo del rango de temperatura de la corriente de proceso entrando al

enfriador. Los enfriadores de aire ocupan un área relativamente grande. Por

lo tanto, estas unidades se instalan normalmente encima de los tendidos de

líneas y de los equipos de proceso, tales como tambores e intercambiadores.

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Marco Metodológico

57

Cuando se considere la instalación de enfriadores de aire, se debería

tomar en cuenta el efecto que puedan tener las pérdidas de calor de los

equipos circundantes, en la temperatura de entrada del aire. (PDVSA, 1995)

Intercambiadores de placas

Estos intercambiadores se utilizan en la industria química y de

alimentos, pero se ha extendido considerablemente hacia la industria

petrolera, especialmente cuando se requiere un sistema de intercambio de

calor compacto y flexible en rangos de temperatura por debajo de 250 °C

(482 °F) y 2533 kPa man. (368 psig).

En estas unidades, la superficie de transferencia de calor es

construida de planchas de metal en lugar de tubos. Estas planchas pueden

ser de superficie lisa, corrugada o canalizada. Dependiendo del tipo de

superficie de la plancha y de la configuración de la unidad, se conocen

cuatro (4) tipos de intercambiadores de placas:

• Intercambiadores de placas en espiral (Spiral Plate).

Estas unidades consisten, esencialmente, de dos planchas

paralelas, enrolladas en espiral y soldados, adecuadamente, los extremos

alternos de las planchas adyacentes para formar un par de canales

concéntricos. Las planchas son separadas por protuberancias abollonadas

en una de las planchas. Un fluido entra en el centro del espiral y fluye hacia

afuera; mientras el otro entra en la periferia y fluye hacia el centro, en

contracorriente.

Debido a la trayectoria en espiral de los fluidos, estas unidades

presentan un coeficiente global de transferencia de calor más alto que las

unidades convencionales y una reducción de la formación de depósitos de

sucio. Son utilizables en el manejo de fluidos viscosos o con contenido de

sólidos, y como condensadores o reboilers. (PDVSA, 1995)

Page 62: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

58

Figura 2.11. Diagrama Esquemático de Intercambiadores de Placa

(PDVSA, 1995).

• Intercambiadores de placas con empacadura (Plate–and–

Frame Exchanger)

Estas unidades consisten en un conjunto de planchas de metal

muy delgadas y corrugadas, mantenidas juntas en un bastidor y selladas en

sus bordes, para prevenir fugas hacia afuera, por una empacadura

compresible, formando así una serie de pasadizos estrechos e

interconectados, a través de los cuales son bombeados los fluidos. El fluido

caliente y el frío siguen pasadizos alternos y el calor es transferido a través

de las planchas con una resistencia térmica relativamente baja.

El bastidor es una estructura rígida, formado por una placa fija en

un extremo y una columna de soporte en el otro; conectados ambos en el

tope por una barra de sustentación y en el fondo por un riel guía. Pueden

ser fabricadas con cualquier metal, aunque acero al carbono es poco usado

porque el equipo no sería competitivo con las unidades de tubo y carcaza.

Los rangos de temperatura y presión son limitados a valores relativamente

bajos, debido al material de la empacadura y de construcción. (PDVSA,

1995)

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Marco Metodológico

59

Figura 2.12. Intercambiador de Placas (PDVSA, 1995).

• Intercambiadores de placas con aletas (Plate–and–Fin

Exchanger).

Los intercambiadores de placas con aletas representan la forma

mas compacta de superficie de transferencia de calor, por lo menos en el

caso usual donde los fluidos deben mantenerse separados. El peso también

es mantenido al mínimo.

La presión de diseño puede alcanzar hasta 4826 kPa. (700 psig.) y

la temperatura en el orden de los 800°C (1472°F), inclusive temperaturas

mas altas pueden usarse, si se utiliza como material de construcción,

cerámica. Usualmente, el material de construcción es aluminio y las

condiciones máximas de diseño son 4100 kPa. (600 psig) y 67°C (150°F).

Estas unidades son construidas de múltiples capas de hojas de

metal corrugadas (aletas), formando una especie de matriz porosa o

corrugada, colocada entre láminas planas de metal que sirven como tabiques

separadores. El fluido entrando y saliendo de de la matriz corrugada es

Page 64: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

60

controlado por distribuidores, con una barra lateral sólida usada para

prevenir que un fluido entre en los canales del otro fluido. (PDVSA, 1995)

Figura 2.13. Sección de un intercambiador con aletas (PDVSA, 1995).

• Intercambiadores de láminas repujadas (Patterned Plates).

En estas unidades las superficies de transferencia de calor son

construidas con dos planchas de metal, una de las cuales o ambas son

repujadas, unidas con soldadura normal o de latón de tal manera que

forman canales parecidos a un serpentín. Un fluido circula a través de

dichos canales y el otro alrededor de la superficie externa de las planchas.

Estas unidades son poco costosas, livianas y fáciles de limpiar en el lado

externo. Su aplicación principal es el enfriamiento y calentamiento de

tanques. (PDVSA, 1995)

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Marco Metodológico

61

TABLA 2.2

SUMARIO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE

INTERCAMBIADORES DE CALOR.

(PDVSA, 1995)

CAPÍTULO III

En la siguiente sección se dará una breve explicación acerca del proceso

de producción de amoníaco del Complejo Petroquímico de Morón,

destacándose la etapa de remoción de CO2 con alcanolaminas.

3.1 Proceso de obtención del Amoníaco (Instalación 180A):

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Marco Metodológico

62

La planta de amoníaco del Complejo Morón está diseñada para producir

660 TM/D de amoníaco anhidro mediante el proceso de reformación de gas

metano con vapor. El proceso es un diseño de CHEMICO y la planta fue

construida por la Compañía MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES.

Figura 3.1 Vista aérea de la planta de Amoníaco.

Las etapas de producción de amoníaco son:

• Hidrodesulfuración

• Reformación

• Conversión de CO

• Remoción de CO2

• Metanación

• Síntesis

• Refrigeración

• Almacenamiento

3.1.1 Hidrodesulfuración:

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Marco Metodológico

63

El gas metano (GM) suplido por PDVSA Gas desde Anaco a la presión de

20 kgcm-2g es comprimido hasta 31 kgcm-2g mediante un compresor de una

sola etapa llamado compresor de gas metano (CC-803), este gas sale a una

temperatura de 85°C pasando luego por los precalentadores (H-702 A/B)

para ser calentado hasta 370°C y de allí a los desulfuradores (SR-701

A/B/C) a través de un catalizador de cobalto/molibdeno contenido en el SR-

701C y luego óxido de zinc contenido en los SR-701 A/B, para reducir el

contenido de azufre hasta un máximo de 0.01 ppm. Luego es mezclado con

vapor de 30 kgcm-2g de presión y precalentado hasta 510°C en el

precalentador de gas metano y vapor (H-704).

Figura 3.2 Hidrodesulfuradores SR-701A/B/C.

3.1.2 Reformación:

El gas que sale del precalentador H-704 es introducido en el reformador

primario (A-701), en donde reacciona sobre un lecho catalítico que contiene

níquel (Ni) al 12% como elemento activo. Las reacciones más importantes

que se llevan a cabo en el reactor, son las siguientes:

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Marco Metodológico

64

CnH2n+2 + nH2O nCO + (2n+1)H2 (Reformación) (3.1)

CO + H2O CO2 + H2 (Conversión de CO) (3.2)

La primera reacción es altamente endotérmica y requiere elevadas

temperaturas (por encima de 570°C). El calor necesario para llevar a cabo

esta reacción se obtiene a través de cuarenta y dos (42) quemadores que

calientan la parte externa de 224 tubos de 4 pulgadas de diámetro que

contienen el catalizador.

La mezcla de gases que sale del reformador primario A-701 entre 750 a

780°C y 25 kg cm-2g, tiene la siguiente composición molar en base seca:

Componente Composición (%)

CO 8.30

CO2 12.74

CH4 10.80

H2 68.06

N2 0.10

Ar 0.00

En este reformador suceden otras reacciones que se llaman secundarias,

pero que afectan el rendimiento del reactor en la medida en que los

parámetros de operación se salgan fuera de control.

Algunas de estas reacciones secundarias se describen a continuación:

CH4 C(s) + 2H2 (3.3)

2CO C(s) + CO2 (3.4)

El gas proveniente del Reformador Primario (A-701) es alimentado al

Reformador Secundario (A-702) con la finalidad de continuar la reacción de

reformación del metano y producir la mayor cantidad de hidrógeno posible.

En este reformador se inyecta aire para proporcionar el nitrógeno (N2)

necesario para la formación del amoníaco, por lo tanto, además de la

Page 69: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

65

reacción de reformación, se lleva a cabo la reacción de combustión del

metano (CH4) residual proveniente del reformador primario (A-701) y el calor

generado por la combustión es aprovechado para la reacción de reformación,

en este reactor se producen las siguientes reacciones:

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O (3.5)

H2O + CO CO2 + H2 (3.6)

CH4 + H2O CO + 3H2 (3.7)

H2 + 1/2O2 H2O (3.8)

El reformador secundario contiene un catalizador similar al del

reformador primario conteniendo también níquel al 16% como material

activo.

El gas que sale del reformador secundario (A-702) tiene la siguiente

composición molar en base seca:

Componente Composición (%)

CO 13.97

CO2 8.19

CH4 0.25

H2 54.95

N2 22.35

Ar 0.29

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Marco Metodológico

66

Figura 3.3 Reformador Primario

3.1.3 Conversión:

El monóxido de carbono (CO) es convertido en hidrógeno (H2) y dióxido de

carbono (CO2) por medio de una reacción catalítica entre el CO y el vapor:

CO + H2O CO2 + H2 (3.9)

Esta conversión se lleva a cabo en dos etapas, una etapa de alta

temperatura y otra de baja temperatura con un enfriamiento del gas de

proceso entre ambas etapas, y el calor removido es utilizado para generar

vapor de 100 kg cm-2g y 10 kg cm-2g. Los componentes activos del

catalizador del convertidor primario (o de alta temperatura A-703), son óxido

de hierro y óxido de cobre al 89% y 9% respectivamente. El convertidor

secundario (o de baja temperatura A-705), tiene un catalizador formado

principalmente por óxido de cobre y óxido de zinc al 42% y 47%

respectivamente.

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Marco Metodológico

67

Los gases que salen de los convertidores de alta y baja temperatura (A-

703/A-705) tienen las siguientes composiciones molares en base seca:

Componente

Composición del

convertidor de alta (%)

Composición del

convertidor de baja (%)

CO 2.00 0.25

CO2 17.38 19.26

CH4 0.44 0.30

H2 59.57 60.26

N2 20.35 19.68

Ar 0.26 0.25

Figura 3.4 Convertidor de Baja (A-705)

3.1.4 Remoción de Dióxido de Carbono

En esta etapa, el CO2 contenido en el gas de proceso proveniente del

Convertidor Secundario se remueve a través de dos sistemas de absorción en

serie con aminas. Este gas de proceso pasa a través de absorbedores de CO2

de TEA (Trietanolamina) y MEA (Monoetanolamina), donde el CO2 se absorbe

Page 72: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

68

químicamente con la amina. El gas de proceso dulce retorna a la sección de

reformación para la etapa de metanación. Por ser la reacción entre el CO2 y

la amina reversible, la amina es regenerada en las torres de regeneración y

reutilizada como solvente en las torres absorbedoras. El CO2 generado en las

torres regeneradoras es enviado como materia prima a la planta de Urea.

3.1.4.1 Circuito de TEA:

El gas de proceso proveniente de la sección de reformación pasa a

través del rehervidor de la torre regeneradora de MEA (F-753), donde se

utiliza como fuente de calor para la regeneración de la misma. Luego de su

enfriamiento en el rehervidor, el condensado generado en el gas se separa en

el flash SR-755, para posteriormente enfriarse por medio de un banco de

intercambiadores (F-758 A/B y F-760), hasta alcanzar los 70°C. De nuevo el

condensado generado se separa en el flash final SR-754.

El gas de proceso entra en contacto con el solvente (TEA) que

desciende desde el tope de la torre absorbedora (C-751), en la que el CO2 del

gas reacciona con la TEA, mediante la siguiente reacción:

• CATALISIS BASICA DE HIDRATACION DE CO2 (LENTA)

CO2 + H2O H+ + HCO3-

H+ + R2NCH3 R2NCH4+ (3.10)

CO2 + H2O + R2NCH3 R2NCH4++ HCO3-

En esta etapa se elimina aproximadamente el 69% del CO2.

El gas que se encuentra en el tope de la torre pasa a través de una

pequeña sección de lavado con agua del condensado del SR-755, bombeada

por las PC-754 A/B, que consiste de 3 platos (Glitisch Ballast), con la

finalidad de reducir las perdidas de amina debido al arrastre.

Page 73: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

69

El gas de proceso que deja el tope de la torre C-751, fluye hacia el

enfriador F-751 donde su temperatura se disminuye hasta

aproximadamente 46°C, y cualquier cantidad de agua que condense

combinada con la posible TEA arrastrada por el gas, es separada en el SR-

752. Este condensado es introducido al proceso en la entrada del Separador

Instantáneo Intermedio, SR-751 en vez de enviarlo al drenaje y tener

pérdidas de solvente.

El solvente rico en CO2 (TEA Rica) que abandona la torre C-751 se

calienta en el intercambiador F-757, para luego pasar a la turbina X-751

donde se reduce la presión hasta 6 kg cm-2g, los gases generados por esta

expansión son venteados a la atmósfera en el separador instantáneo

intermedio (SR-751). La presión en el solvente se reduce de nuevo, antes de

introducirse por el tope de la desorbedora C-753, ya que las bajas presiones

ayudan a que el CO2 se separe del solvente.

El CO2 saturado de agua que abandona el tope de la regeneradora C-

753, fluye hacia el condensador F-764, en el que la temperatura se reduce

hasta 55°C desde aproximadamente 70°C por medio de aire, el condensado

se separa en el flash SR-764 y es bombeado hacia la regeneradora para

evitar las pérdidas de amina.

La solución de TEA pobre en CO2 se marcha de la torre C-753 a 77°C

y es bombeada por las PC-751A/B/C hacia el enfriador F-759, donde

alcanza una temperatura de 70°C para luego ser enviada a la torre

absorbedora C-751.

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Marco Metodológico

70

Figura 3.5 Circuito TEA.

• Sistema de filtración de TEA:

Una porción de TEA Pobre proveniente de la salida del

intercambiador F-759 se envía hacia esta sección de filtración. La presión de

esta corriente es aproximadamente 25 kg cm-2g y debe ser reducida hasta 3

kg cm-2g, para extender la vida útil de los filtros.

Este sistema consta de 3 filtros, 2 mecánicos y uno de carbón

activado, todos instalados para reducir el taponamiento de equipos, así como

la corrosión en el sistema. La solución primero fluye por el FI-754A, un filtro

mecánico donde se remueve la mayor parte de los sólidos, luego fluye a

través del filtro de carbón activado con 2.44 m de diámetro para remover el

contenido de grasas y aceites contenidas en la amina, FI-753; para

posteriormente pasar por el último filtro mecánico FI-754B, donde se

remueve cualquier sólido remanente en esta sección. La solución resultante

es devuelta al sistema en la succión de las bombas PC-751A/B/C.

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Marco Metodológico

71

Figura 3.6 Filtros de TEA

3.1.4.2 Circuito de MEA:

El CO2 remanente en el gas de proceso proveniente del separador SR-

752 entra a la absorbedora C-752, con una composición molar de 6.92%,

donde se pone en contacto con una solución de MEA al 30% que desciende

por la torre. La concentración de CO2 en el gas se reduce hasta 0.05% molar

y el gas de proceso en el tope de la torre es enviado hacia el Metanador A-

704. La reacción que se lleva a cabo en esta torre es:

• FORMACION DE CARBAMATO (RÁPIDA)

CO2 + C2H4OHNH C2H4OHN+HCOO-

C2H4OHN+HCOO- + C2H4OHNH C2H4OHNCOO- + C2H4OHNH2+ (3.11)

CO2 + 2C2H4OHNH C2H4OHNH2 + C2H4OHNHCOO-

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Marco Metodológico

72

• ACIDO BASE (LENTA)

CO2 + H2O H2CO3 (Acido Carbónico)

H2CO3 H+ + HCO3- (Bicarbonato) (3.12)

H+ + C2H4OHNH C2H4OHNH2+

CO2 + H2O + C2H4OHNH C2H4OHNH2+ HCO3-

La solución de MEA rica en CO2 del fondo de la torre C-752 se envía

hacia el intercambiador F-755, y luego hacia el intercambiador F-755B,

donde se intercambia calor con la solución de MEA pobre en CO2

proveniente de la torre regeneradora de MEA (C-754). Aquí la solución rica

en CO2 se calienta hasta 100°C y su presión se reduce antes de ingresar al

tope de la regeneradora. En esta torre la solución de MEA pobre entra en

contacto con el vapor procedente del rehervidor de MEA F-753 que sirve

como fuente de calor en la regeneración de la amina. La MEA pobre en CO2

deja la torre a 117°C y es enfriado al intercambiar calor en el F-755 con la

solución de MEA rica. Luego la MEA pobre es bombeada por las PC-752A/B

y nuevamente enfriada en el intercambiador F-756 antes de ser

suministrada al tope de la torre absorbedora.

La corriente de CO2 y el vapor en el tope de la regeneradora se envía al

condensador de MEA (F-752), donde es enfriada hasta 96.2°C, y el

condensado generado es recuperado en el separador SR-753 y retornado a la

torre regeneradora. La corriente de CO2 por el tope del separador SR-753 se

mezcla con la corriente de CO2 proveniente de la torre regeneradora de TEA y

fluyen hacia la planta de Urea.

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Marco Metodológico

73

Figura 3.7 Circuito MEA.

• Sistema de purificación y filtrado de MEA:

De nuevo igualmente que en la sección de filtración de TEA, la

solución viene del circuito a alta presión, aproximadamente entre 25-26

kgcm-2g y debe ser reducida hasta los 3.5 kg cm-2g antes de entrar al filtro

FI-756A, para evitar el deterioro de los filtros, por lo que se hace pasar por

una válvula estrangulada. En este filtro se remueve una gran parte de

partículas, pero no las suficientes como para limpiar el sistema, es por ello

que la solución va al filtro FI-752 (carbón activado) en el que se remueven

los compuestos orgánicos en la solución y después por el último filtro

mecánico FI-756B.

La solución resultante se envía al sistema Amine Guard para la

inclusión de los inhibidores de corrosión. El flujo de este sistema debe ser de

11.4 m3 h-1 a 13.6 m3 h-1, esto se logra a través del indicador FISH/L-7515,

sólo la mitad de este flujo va al filtro de carbón, la otra mitad se une con la

solución del FI-756B y van hacia el sistema Amine Guard.

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Marco Metodológico

74

Figura 3.8 Filtros de Mea.

• Amine Guard:

El sistema Amine Guard se implementa en la sección para evitar la

corrosión de las líneas y equipos originadas al trabajar con una solución de

MEA al 30% en peso de concentración. Consiste en dos tanques

mezcladores, tres bombas y la respectiva instrumentación.

La solución al 30% de MEA entra al sistema a través de la válvula LV-

7542 hacia el tanque SR-760 (Tanque de Aireación), donde se adiciona el

inhibidor C (Metavanadato de Sodio), pero previo a esto, es indispensable la

adición del condensado o el agua desmineralizada a 80°C para alcanzar la

solubilidad del inhibidor. Este inhibidor se debe añadir para garantizar que

en el circuito de lavado con MEA se obtenga un contenido de vanadio total

de 400-600 ppm.

El componente activo de este inhibidor es el vanadio +5. Al ingresar al

circuito de MEA éste se reduce de vanadio +5 a vanadio+4, por lo que se

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Marco Metodológico

75

añade al tanque un flujo adecuado de aire tal que oxide el vanadio y lo lleve

al estado +5, saliendo del sistema de 50-100 ppm de vanadio +5. El flujo de

aire seco introducido en el fondo del tanque, se controla manualmente a

través de una válvula de globo a la salida del indicador de flujo FI-7515.

La solución de MEA con los inhibidores regenerados es bombeada por

las PC-758 A/B hacia la succión de las bombas PC-752 A/B para ingresar al

circuito de MEA.

Existe otro tanque de mezclado, SR-761, que es utilizado para la

mezcla de los inhibidores A y B cuando hay déficit de estos en el sistema. El

tanque se llena con condensado o agua desmineralizada a mín. 70°C para

promover la solubilidad de los inhibidores. Se añade al tanque el inhibidor B

(ácido tartárico) hasta que la solución tenga un pH entre 4.5-5, para poder

adicionar el inhibidor A (antimonio), ya que éste es soluble a esas

condiciones de pH. Al finalizar el mezclado, la solución se envía al circuito a

la salida del F-755 (MEA pobre).

Figura 3.9 Amine Guard.

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Marco Metodológico

76

• Purificador de Amina (MEA):

Adicionalmente otra corriente con solución de MEA pobre proveniente de

la salida del regenerador C-754, es enviada al purificador F-754, donde se

remueven las impurezas corrosivas resultado de la oxidación y

descomposición térmica de la amina (Productos de degradación de la amina

y sales termoestables). Este proceso es posible ya que los productos

corrosivos no son volátiles, por lo que pueden ser separados por destilación.

La rata de flujo que se purifica es 1.075 kg h-1 en condiciones

normales de operación y el vapor o fuente de calor que se introduce al

equipo tiene una presión de 10 kg cm-2g.

La solución de MEA ebulle dentro del purificador y el agua se destila,

cierta cantidad de MEA comienza a evaporarse y finalmente la concentración

de MEA en el vapor se iguala con la concentración de MEA que entra al

purificador.

Este equipo trabaja por carga y para su puesta en funcionamiento se

necesita adicionarle carbonato de sodio (Soda Ash), esto con el fin de que

reaccionen las sales termoestables y se libere la molécula de amina,

formándose y acumulándose sales hasta que se alcance una temperatura de

149°C, donde se termina el ciclo del equipo y el lodo formado por las sales se

desecha por el fondo del mismo.

Figura 3.10 Purificador de MEA (F-754).

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Marco Metodológico

77

3.1.5 Metanación:

El CO y CO2 contenido en el gas que viene de la sección de remoción

de CO2, es transformado en metano (CH4) en presencia de un catalizador de

óxido de níquel al 20% en peso, las reacciones que se llevan a cabo en este

reactor son las siguientes:

CO + 3H2 CH4 + H2O (3.13)

CO2 + 4H2 CH4 + 2 H2O (3.14)

Después de la metanación, el gas de síntesis contiene máximo 10 ppm

de CO más CO2 y el metano formado queda como inerte en el lazo de

recirculación de síntesis.

El gas de síntesis que sale del metanador, tiene la siguiente

composición molar en base seca:

Figura 3.11 Metanador

Componente Composición (%)

CO más CO2 0.001

CH4 0.879

H2 74.100

N2 24.700

Ar 0.320

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Marco Metodológico

78

3.1.6 Síntesis:

El gas de síntesis producido en la sección de reformación, se comprime

en varias etapas en el compresor de síntesis hasta la presión requerida para

la síntesis de amoníaco.

El compresor de gas de síntesis (CC-801) es movido por una turbina de

vapor (TV-801) y consta de tres cajas, las cajas 1 y 2 representan la 1ra. y

2da. etapa de compresión del gas preparado de síntesis. La 3ra. está dividida

en dos secciones: una de ella es la tercera etapa de compresión del gas de

síntesis y la otra es la etapa de compresión del gas de reciclo de la sección de

síntesis.

°C °C Kg/cm2 Kg/cm2 Etapa Succión Descarga Succión Descarga

1 -30.5 111.1 18.87 62.09 2 -22.3 78 61.37 126.6 3 78 125.5 126.6 165.5

Recirculación 23.9 45.3 160.5 185

La síntesis de amoníaco se lleva a cabo a través de una reacción

exotérmica que puede ser representada por la ecuación siguiente:

N2 + 3H2 2NH3 (3.15)

Figura 3.12 Reactor de Síntesis de Amoníaco.

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Marco Metodológico

79

3.1.7 Refrigeración:

El amoníaco producido en el convertidor de síntesis (A-801), es

condensado y enfriado hasta la temperatura de -32°C y es enviado hacia la

sección de refrigeración con la finalidad de mantenerlo líquido y evitar las

pérdidas de producto por evaporación.

La Sección de Refrigeración maneja el amoníaco líquido producido a

diferentes temperaturas y lo hace recircular como refrigerante en la sección

de síntesis de la planta. El amoníaco líquido, ya caliente proveniente de los

diferentes intercambiadores de calor, fluye en cascada a través de una serie

de separadores (SR-857/6/5/4/3) en donde se expande y baja su

temperatura, como consecuencia de esa expansión.

El gas generado en los separadores, se comprime y se vuelve a

expandir repitiendo cinco (5) veces este ciclo, el cual es realizado por el

compresor de refrigeración (CC-851) y el amoníaco líquido producido es

enviado a los tanques de almacenamiento SR-860 y SR-860 A, los cuales

tienen una capacidad de 3000TM y 10000 TM respectivamente. Este

amoníaco es enviado a las diferentes plantas del complejo como materia

prima y también se despacha a industrias del interior del país.

3.13 Torre de Refrigeración.

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Marco Metodológico

80

3.1.8 Almacenamiento

La producción de amoníaco puede ser almacenada en dos tanques, los

cuales son:

3.1.8.1 SR-860

El amoníaco producido puede ser enviado a este tanque que tiene una

capacidad almacenamiento de 3000TM, sus condiciones de operación están

en -33°C y 500 mmH2O.

Desde este tanque se puede enviar amoníaco con las bombas PC-101,

PC-102 y PC-703 a las diferentes instalaciones que ameriten. Existe una

línea desde este tanque hacia el SR-860A de gas para su condensación.

3.1.8.2 SR-860-A

Normalmente este tanque está recibiendo la producción de amoníaco,

posee una capacidad de almacenamiento de 10000 TM.

Desde este tanque se puede enviar con las bombas PC-1A/B/C hacia

las diferentes instalaciones que lo ameriten.

Este tanque posee un sistema de compresión que evita la pérdida del

amoníaco evaporado. Dos compresores alternativos CA-1A/B comprimen los

gases de amoníaco generados por la evaporación, y el amoníaco es

condensado en un sistema y retornado como amoníaco líquido al SR-860-A.

Figura 3.14 Tanque SR-860A CAPÍTULO IV

Page 85: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

81

A continuación se describe el desarrollo de las actividades necesarias para el

logro de los objetivos planteados en este trabajo.

El presente trabajo de grado se considera como evaluativo, ya que según

Miriam Balestrini (2001), en su libro “Como se elabora el proyecto de

investigación” se establece que “Los estudios evaluativos proponen describir

y comprender, las relaciones significativas entre variables, así como el

establecimiento de la secuencia causal en la situación o hecho estudiado”,

objetivos fundamentales para la realización de este trabajo, ya que a través

de los balances de masa y energía se establece la relación entre las variables

operacionales que describen, tanto la situación actual como la de diseño de

la sección de lavado de CO2 y se establecen las diferencias entre éstas

variables para posteriormente plantear las causas de estas discrepancias.

4.1 Realización de los balances de masa y energía de la sección de

lavado de CO2 de la planta de amoníaco a condiciones de diseño, a

través del simulador hysys 3.1.

La simulación de procesos de remoción de CO2 o gases ácidos es

fundamental en el área de tratamiento de gas con aminas. El paquete

termodinámico que permita conocer las propiedades de los compuestos

involucrados será la pieza que marcará la pauta en la simulación. La

realización del balance de masa y energía con datos de diseño permitirá

además de conocer en profundidad el proceso, evaluar el paquete

termodinámico dentro de la simulación.

4.1.1 Estudio del proceso de absorción de CO2, a través de los diagramas

de flujo de la sección de lavado.

Para lograr este estudio, se hizo una revisión minuciosa de los diagramas

de flujo de la sección de lavado, así como entrevistas al personal calificado

que permitieron identificar las variables de mayor importancia en el proceso,

los equipos, operaciones unitarias, análisis realizados a las corrientes, etc.

Para ahondar más en el tema se analizan los manuales de descripción del

proceso, así como también se lleva a cabo una búsqueda de información por

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Marco Metodológico

82

Internet y en bibliotecas de la unidad técnica de Pequiven Morón, biblioteca

rental de la Escuela de Ingeniería Química, entre otras.

Por otra parte, se realiza una visita a la planta en compañía del operador

de turno e ingeniero de procesos, donde se realiza la observación directa de

los equipos y se establece el recorrido del flujo de gas y de aminas en la

sección.

4.1.2 Determinación de las condiciones de operación a las que debe

trabajar cada equipo en la sección de lavado.

Las condiciones de operación de todos los equipos de la sección de

lavado, se establecieron a través de la revisión de los balances de masa y

energía realizados por la empresa Glitisch para la modificación de la sección

de lavado en el año 1997.

4.1.3 Consulta de los datos de diseño de cada equipo que conforma la

sección de lavado.

La consulta de los datos de diseño se realizó a través de las hojas de

especificación de los equipos, estas son proporcionadas por la empresa

Mitsubishi Heavy Industries, licenciante de la planta de amoníaco,

exceptuando a los equipos que sufrieron modificaciones en el año 1997. Para

estos equipos se utilizó las hojas de especificación proporcionadas por la

empresa Glitisch.

4.1.4 Investigación referente al uso del paquete de simulación Hysys.

Para obtener esta información se busco a través de Internet cursos

referentes a simulaciones bajo ambiente Hysys, manuales del programa,

donde se explica todo lo referente a equipos y paquetes termodinámicos

disponibles, así como la ayuda y los ejemplos proporcionados por el mismo.

4.1.5 Identificación de las variables requeridas por el simulador hysys

para la realización de los balances de masa y energía.

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Marco Metodológico

83

Para la identificación de variables requeridas para la simulación se hizo

un análisis de cada equipo a simular, las especificaciones de cada equipo, los

datos de las corrientes involucradas, los reciclos presentes en el sistema,

ajustadores, etc.

4.1.6 Establecimiento del modelo termodinámico que más se adapte a

los datos de diseño, para el tratamiento de mezclas en el proceso.

El tratamiento de gases con aminas es un sistema ampliamente

estudiado, donde las soluciones productos de la reacción entre el CO2 y la

amina, son altamente electrolíticas, por lo que el paquete termodinámico

debe ser un paquete especial, que se adapte a este tipo de soluciones.

En primera instancia se evaluaron paquetes termodinámicos como: Peng

Robinson y NRTL, sólo para el área de acondicionamiento del gas antes de

entrar al circuito cerrado con aminas, resultando efectivos ambos paquetes

para esta etapa del proceso, aunque desde un principio se estableció que el

paquete termodinámico sería el Amine Pkg, ideal para este tipo de proceso de

remoción de CO2, esto con el fin de validar el paquete de aminas cuando sólo

se trataba de gases.

4.1.7 Simulación de los diferentes equipos de la sección de lavado con

datos de diseño.

La simulación de los equipos de la sección de lavado se dividió en dos

circuitos, el circuito de TEA y el de MEA.

Los valores introducidos fueron los proporcionados por el balance de

masa de la empresa Glitisch. Las especificaciones de los equipos fueron

tomados de las hojas de especificación proporcionadas por la empresa

Mitsubishi, exceptuando para aquellos equipos colocados luego de la

modificación de la planta sufrida en el año 1997, como lo es el

intercambiador F-764.

Primero se incorporan los componentes de la simulación: Dióxido de

carbono, monóxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno, metano, agua, TEA y

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Marco Metodológico

84

MEA. El paquete termodinámico no permite la presencia de Argón en el

sistema, ya que este no es compatible, por lo que se omitió del balance de

masa, ya que es un inerte y no participa en la absorción.

Luego se introducen todos los equipos presentes en la sección, y las

corrientes necesarias para la simulación.

Las corrientes en la simulación se establecieron al introducir el número

de las mismas en la especificación de los equipos, tal como se muestra en la

Figura 4.1 y finalmente las corrientes totales en el sistema se muestran en

las Figuras 4.2 y 4.3.

Figura 4.1. Introducción de las corrientes en el Sistema

Luego, en el caso de los intercambiadores de calor, se introdujo el valor de

UA, que es la multiplicación entre el coeficiente global de transferencia de

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Marco Metodológico

82

Figura 4.2. Corrientes en la simulación con el Circuito TEA.

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Marco Metodológico

83

Figura 4.3. Corrientes en la simulación del circuito MEA.

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Marco Metodológico

88

calor y el área de transferencia de calor, obtenido de las hojas de

especificación, donde se especifican dichos valores. Para las bombas y

turbinas se introdujo la presión de descarga, por lo que el simulador calcula

las potencias requeridas o generadas por las mismas.

4.1.7.1 Circuito TEA

Dentro de este circuito se simula parte de los equipos utilizados para el

acondicionamiento del gas antes de entrar al proceso de absorción (banco de

intercambiadores de calor y separador flash SR-754).

Para la simulación del banco de intercambiadores F-758 A/B y F-760,

primero se simuló sólo con los F-758 A/B como medio de enfriamiento, para

verificar el buen diseño de los mismos.

Por diseño estos intercambiadores deben ser capaces de generar una

transferencia de calor adecuada para llevar el gas hasta 70°C, ya que el F-

760 sólo proporciona el ajuste a la temperatura de entrada a la torre

absorbedora, en caso que los F-758 A/B fallen.

Luego se simuló con el F-760 en funcionamiento, debido a que por la

simulación anterior se tiene que los F-758 A/B por sí solos no son capaces de

intercambiar el calor suficiente para alcanzar los 70°C. Para este caso se

colocó un ajustador, que regulara la fracción de flujo que pasa a través del F-

760 para llevar la temperatura de entrada al flash SR-754 a este valor.

Posteriormente se procedió a simular los equipos correspondientes al

circuito cerrado de TEA, para ello se introdujo un valor aproximado en el

flujo de TEA pobre de entrada a la torre C-751, para empezar a formar el

circuito cerrado, valor que cambió cuando se incluyó el reciclo 3. Aparte de

este reciclo, se tiene uno a la entrada de la C-753 (TEA rica), otro a la entrada

del F-757 (TEA rica) y un último en el agua proveniente del flash SR-764.

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Marco Metodológico

89

Las etapas de la torre absorbedora C-751 se obtuvieron variando este valor

hasta conseguir una composición molar de CO2 en la corriente de salida por

el tope de 6.9% en base seca.

Figura 4.4. Especificaciones de la torre C-751 para condiciones de

diseño.

El balance suministrado por la empresa Glitisch, proporciona las

composiciones en base seca, por lo que se calculo la composición en base

húmeda incorporándole a la corriente el flujo de agua y calculando las

respectivas composiciones como el flujo del componente entre el flujo total.

Igualmente las etapas de la torre desorbedora C-753, fueron ajustadas hasta

conseguir un flujo de CO2 en el tope de 600.4 kgmolh-1.

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Marco Metodológico

90

Figura 4.5 Especificaciones de la torre C-753 para condiciones de

diseño.

El enfriador de la corriente de gas a la salida de la torre C-753 es un

equipo que posee una configuración de un paso y 5 columnas de tubos, pero

esta configuración no se encuentra dentro de las especificaciones de este

equipo en el simulador, por lo que se colocó la configuración más semejante

que es de un paso con 4 columnas de tubos.

Figura 4.6. Especificaciones del intercambiador F-764.

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Marco Metodológico

91

4.1.7.2 Circuito MEA.

La filosofía para este circuito fue semejante a la utilizada para el circuito

de TEA. Primero se introducen las variables correspondientes a la entrada de

gas y MEA pobre a la torre C-752, en este punto fue indispensable introducir

el número de etapas en la torre, por lo que se ajustó ese valor hasta

conseguir 500 ppm de CO2 a la salida de gas por el tope de la misma. Como

especificaciones de la torre se introdujo, además de las etapas teóricas, la

presión de la misma (Ver Figura 4.7).

Para la realización de la simulación de la torre C-752, se procedió a

introducir los valores iniciales de la amina a ser regenerada. El valor de las

variables en esta corriente se modificaron hasta que la torre alcanzara la

convergencia.

Figura 4.7. Especificaciones de la torre C-752 para condiciones de

diseño.

Igualmente las etapas de la torre de regeneración C-754, fueron modificadas

hasta obtener un flujo de CO2 por el tope de la torre de 277.8 kgmolh-1.

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Marco Metodológico

92

Figura 4.8. Especificaciones de la torre C-754 con datos de diseño.

En la simulación de los intercambiadores se introducen todas las

variables de las corrientes de entrada, así como el coeficiente global de

transferencia de calor multiplicado por el área de transferencia, y los datos

de los tubos y la carcasa.

Figura 4.9 Especificaciones de intercambiadores de calor (lado carcasa).

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Marco Metodológico

93

Figura 4.10. Especificaciones de intercambiadores de calor (lado tubo).

4.1.8 Comparación de los valores obtenidos a través del simulador con

los proporcionados por la empresa Glitisch en sus balances de masa y

energía.

Luego de la simulación es necesario establecer el margen de error entre

los resultados arrojados por el simulador y los encontrados en el balance de

masa y energía. Este error se estableció como la diferencia entre los

resultados dividido entre los valores del balance de masa, y se cálculo para

las variables más importantes de las corrientes, como presión, temperatura,

flujo y composición.

4.2 Realización de los balances de masa y energía de la sección de

lavado de CO2 de la planta de amoníaco a condiciones actuales de

operación, a través del simulador Hysys 3.1.

4.2.1 Verificación de que las variables requeridas por el simulador sean

físicamente medibles en planta.

Para esta verificación se realizó una revisión detallada de los diagramas

de instrumentación y tuberías actualizados, para establecer los puntos de la

planta donde es posible la medición de las variables, para luego realizar

Page 97: 23001CB6(1).pdf

Marco Metodológico

94

visitas a planta con la ayuda del operador de turno e instrumentista donde

se verifique la presencia de los instrumentos encontrados en el diagrama de

instrumentación y tubería.

4.2.2 Realización de la toma de datos en planta de las variables requeridas por el simulador hysys.

Para la toma de datos de las variables requeridas por el simulador se

estableció un plan de muestreo durante 20 días hábiles y se realizaron

visitas a planta diarias para el seguimiento de las variables.

La medición de presión en todo el sistema se realizó con la ayuda del

instrumentista, ya que son pocos los puntos del sistema que poseen

indicadores de presión, por lo que se tomo un único valor para esta variable.

La temperatura se tomó a través de termocuplas instaladas en la sección

para todos los días de la toma de datos. La medición se verificó por medio de

un pirómetro que aunque proporciona la temperatura de pared, arrojó

resultados muy parecidos a los generados por las mismas. Aquellos puntos

en campo donde no se tiene registro de la temperatura, se asumió que la

temperatura del fluido es la proporcionada por el pirómetro.

Los análisis realizados a las muestras de gas (composición en base seca)

y a las distintas aminas (% en peso de la amina, %CO2 y carga ácida) fueron

proporcionados por el laboratorio central del complejo petroquímico, estos se

realizaron 3 veces por semana, ya que son análisis de rutina en este

laboratorio.

Los análisis en el sistema Amine Guard, proporcionaron la concentración

de inhibidor en el sistema y se obtuvieron en el laboratorio central dos veces

por semana, al igual que los análisis de sales termoestables, aunque estos se

realizaron sólo una vez por semana durante la operación del purificador de

aminas F-754.

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Marco Metodológico

95

Por otra parte se realizaron mediciones de flujo de agua de enfriamiento

en los diferentes intercambiadores, flujo hacia Amine Guard, y flujos de

condensados a través de un medidor ultrasónico marca Dynasonic,

obteniéndose ocho mediciones para cada punto mencionado.

Para establecer el estado de la sección de filtración se tomó la presión de

entrada y salida de cada filtro en ambos circuitos, y se realizaron análisis de

sólidos en suspensión para la entrada y salida de los filtros mecánicos, así

como análisis de materia orgánica para los filtros de carbón activado.

La medición de los perfiles de temperatura de las torres en planta, se

realizó semanalmente para cada una de las torres absorbedoras. Para esto

se mide la temperatura a diferentes alturas de la torre con la ayuda del

operador de turno, con el fin de establecer el punto donde se tiene la mayor

temperatura que es donde ocurre la mayor reacción.

Otras variables necesarias para la simulación como flujo de MEA y TEA

pobre, presión en las torres regeneradoras (C-753 y C-754), presión en el SR-

751, presión hacia los filtros (MEA y TEA) y flujo de condensado hacia la C-

751 fueron tomadas del panel de control durante todos los días del mes de

agosto del 2005.

4.2.3 Determinación de las propiedades de las corrientes necesarias

para llevar a cabo la simulación.

4.2.3.1 Determinación del flujo de Gas de entrada a la planta

El valor del flujo de gas de entrada al F-753 es fundamental para dar

inicio a la simulación. Fue imposible medirlo en campo, debido a la falta de

instrumentación, por lo que se calculó realizando un balance molar en el

componente argón, en la sección de reformación (Sección previa a la de

lavado de CO2), a partir del flujo molar de aire (Naire), la composición de

argón en el aire (XAr1) y la composición de argón en la corriente salida del A-

705 (XAr2). Ver Figura 4.11 para conocer el volumen de control utilizado en la

realización del balance de masa.

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Marco Metodológico

88

AA--770033

FF--770055

AA--770055

FF--770022

FF--770033

FF--770066

Vapor 100 Kgcm -2

Vapor 100 Kgcm-2

Vapor 10 Kg/cm-2 AA--770022

1

2

Volumen de Control

Figura 4.11. Volumen de Control utilizado para el balance de masa en la Sección de Reformación.

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Resultados y Discusiones

89

a. Flujo molar de aire:

El flujo molar de aire se obtiene de acuerdo a la ecuación de gases

ideales, a partir del flujo volumétrico del mismo, variable medida a

condiciones normales, desde el 01/08/2005 hasta el 02/09/2005 (Ver tabla

B.22).

b. Composición de Argón en el aire:

Esta composición se obtuvo de los balances de masa realizados por la

empresa Haldor Topsoe para el Complejo Petroquímico de Morón.

c. Composición de Argón a la entrada de la sección de lavado:

Esta composición se obtuvo al calcular el promedio de los valores

obtenidos desde el 01/08/2005 hasta el 02/09/2005. El valor de la

composición fue reportado por el laboratorio Central del Complejo

Petroquímico Morón, de acuerdo a los análisis realizados al gas en este

punto de la sección.

d. Balance Molar:

Flujo de gas en base seca: Se obtiene a partir del balance de masa en

argón, y depende de la composición de argón en base seca en la

corriente de aire, la composición de argón en base seca de la corriente

de entrada de gas a la sección de lavado y del flujo de aire.

Flujo de gas en base húmeda: El flujo de gas en base húmeda se

consigue a partir de la relación vapor gas presente en la corriente de

entrada a lavado. Esta relación se obtiene a través de un análisis

proporcionado por el laboratorio central del complejo.

El flujo de gas húmedo será el flujo de gas seco más la cantidad de

agua en esa corriente expresada como el flujo de gas seco multiplicado

por la relación vapor gas de la misma.

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Resultados y Discusiones

90

4.2.3.2 Determinación de los flujos volumétricos en las tuberías de la

sección de lavado.

El flujo volumétrico se calculó a partir del diámetro y las velocidades de las

tuberías tomadas en campo por medio de un medidor de flujo ultrasónico

portátil, ya que el caudal es el área trasversal multiplicada por la velocidad

de la misma.

La velocidad introducida es el promedio de las ocho mediciones tomadas,

y los diámetros de las tuberías se tomaron a partir de los diagramas de

instrumentación y tubería de la sección de lavado.

4.2.4 Simulación los diferentes equipos de la sección de lavado con los

datos tomados en planta.

Las variables a introducir fueron tomadas como el promedio de las

mismas durante la toma de datos en planta, exceptuando las presiones que

sólo pudieron ser medidas una sola vez en el sistema.

4.2.4.1 Circuito TEA:

La sección de TEA incluye el acondicionamiento de la corriente de gas,

por lo que se simuló esta sección introduciendo la caída de presión en los

intercambiadores, así como las temperaturas de todas las corrientes de

entrada y salida de los mismos en el sistema, las especificaciones tanto para

los tubos como para la carcasa, con el fin de calcular el coeficiente de

transferencia global del intercambiador para estas condiciones. Para

sustentar el flujo de gas hacia los F-760 desconocido se introdujo el flujo de

agua necesario hacia los F-758A/B, generando tanto el flujo de gas hacia los

F-758 como hacia el F-760.

Para el intercambiador F-757, se introdujo los valores de las presiones en

cada corriente y se supuso el flujo de TEA rica a calentar, hasta que el

reciclo 1 proporcionó este valor.

Page 102: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

91

La absorción se lleva a cabo en la columna C-751, las etapas de ésta son

las obtenidas en la simulación con datos de diseño, la corriente de amina

pobre inicialmente fue supuesta hasta que se incorporó el reciclo y éste

calculó las variables de esta corriente. La presión en la torre no fue posible

medirla físicamente en planta, por lo que se tomó el valor de la presión en el

flash, que si fue medido.

Para las bombas y turbinas del sistema se introdujo el valor de la presión

de salida, por lo que el simulador calcula la energía requerida o generada por

las mismas.

Igualmente para la desorción las etapas de la torre introducidas fueron

las generadas por la simulación con datos de diseño, esta se simuló hasta

que la composición molar en base seca de CO2 hacia la planta de urea fuese

99.88%, valor reportado por análisis de laboratorio. El simulador genera

composiciones en base húmeda, por lo que se calculó las composiciones en

base seca a través de un balance de masa en esa corriente.

4.2.4.2 Circuito MEA

El flujo de gas de entrada a la torre C-752, no fue posible medirlo en

planta, por lo que se tomó como flujo el generado por la simulación del

circuito de TEA, las composiciones fueron el promedio de las tomadas

durante el mes de agosto y las etapas de la misma son aquellas calculadas

por la simulación con datos de diseño.

Al igual que para las condiciones de diseño el circuito no fue posible

cerrarlo con el reciclo por lo que se calculó el error entre la corriente de

amina pobre de entrada a la C-752 y la salida del intercambiador F-756.

Para el intercambiador F-755 se introdujo las caídas de presión en el

mismo, así como las temperaturas de salida de la corriente de MEA rica ya

que las demás son calculadas a través del simulador en la etapa de

regeneración. Estas caídas de presión fueron calculadas con los datos

Page 103: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

92

obtenidos en planta, exceptuando la presión de MEA rica a la salida, ya que

este valor fue proporcionado por los ingenieros de planta, a través del Cv de

la válvula para 100% abierta.

La regeneración se llevó a cabo con las etapas encontradas por diseño y la

amina a regenerar fue inicialmente supuesta hasta que se calculó por medio

del reciclo 1. El reciclo de agua hacia la torre regeneradora se obtuvo con el

flujo de condensado del SR-755 obtenido de la simulación del circuito TEA.

4.3 Análisis de las diferencias existentes entre las condiciones actuales

de operación en la etapa de remoción de CO2 y las condiciones de

diseño.

4.3.1 Cálculo del error existente entre las variables de operación y las

de diseño.

El error entre las variables actuales y las de diseño, se estableció como la

diferencia entre estos resultados dividido entre los valores de diseño, y se

cálculo para las variables más importantes de las corrientes, como presión,

temperatura, flujo y composición.

4.3.2 Pedir la opinión de todo el grupo de trabajo para proporcionar

ideas que ayuden a establecer el origen de las discrepancias entre las

variables.

Esta actividad se llevó a cabo por medio de reuniones con

superintendentes, profesores, ingenieros de procesos y operadores de planta,

gente con experiencia en la planta de amoníaco del complejo petroquímico,

donde se realizó una tormenta de ideas, que generó las causas mas

relevantes de estas discrepancias.

4.3.3 Realización del árbol de fallas.

Para llevar a cabo esta actividad se describe el evento que esta fallando,

en este caso es el aumento en la composición de CO2 a la salida de la sección

de lavado, luego se describen los modos de falla, que es el como ocurre el

Page 104: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

93

evento, para luego desarrollar las hipótesis que es como ocurren los modos

de falla.

Luego de expresar las causas de los modos de falla y de las hipótesis se

procedió a verificar todas las hipótesis generadas, por medio de análisis de

laboratorio, toma de datos, simulación del proceso, etc.

Este árbol de fallas se realizó considerando tanto las causas físicas, como

las causas humanas, ya que estas son las causas más importantes para la

mejora del proceso.

4.4 Proponer alternativas que permitan reducir la diferencia entre las

variables de operación actuales y las de diseño.

La generación de alternativas va orientada hacia la eliminación de los

modos de falla encontrados en el sistema que se desarrollaron en el árbol de

fallas, mediante la identificación de las variables que afectan directamente el

rendimiento de la Sección.

4.4.1 Consultar con el grupo de trabajo, las posibles alternativas que

mejoren el proceso de absorción de CO2 desde el punto de vista

operacional..

Esta actividad se lleva a cabo por medio de reuniones con

superintendentes, profesores, ingenieros de procesos y operadores de planta,

gente con experiencia en la planta de amoníaco del complejo petroquímico,

donde se realizó una tormenta de ideas, que genera las posibles alternativas

que mejoran el proceso de absorción de CO2.

4.4.2 Consulta de material bibliográfico acerca del tema.

Se consultó bibliografía referente a los diferentes tipos de amina

existentes en el mercado utilizadas para el endulzamiento del gas y se

consultó sobre otras tecnologías utilizadas en el país para este tipo de

procesos, como es el caso de FERTINITRO, la cual utiliza una solución de

VETROCOKE (Solución de Carbonato de Sodio al 26%), esto con la finalidad

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Resultados y Discusiones

94

de adquirir conocimientos y evitar la selección de una alternativa que genere

problemas operacionales futuros.

4.4.3 Generación de alternativas

Por último todas las alternativas generadas durante la tormenta de ideas,

se agruparon en dos casos, el primero, las mejoras al proceso actual y el

segundo el cambio de MEA para DGA.

4.5 Realizar una evaluación técnico-económica de las alternativas de

solución a los problemas de la sección de lavado.

Mediante el análisis técnico económico se determinará la factibilidad de

implementar cada una de las alternativas propuestas y servirá de base para

la selección de la más adecuada de acuerdo a los criterios establecidos por la

empresa.

4.5.1 Análisis de las propuestas

Para la realización de la evaluación técnica de las alternativas de

solución, se realiza un análisis de las ventajas y desventajas de las

propuestas planteadas, para establecer el mejoramiento que presentará la

sección al implementar cualquiera de las dos alternativas.

Para el caso de la sustitución de la MEA por DGA se realiza la simulación

del sistema con la nueva amina para determinar si es necesario realizar

alguna modificación de equipos en planta y para tener una base en la

comparación de los balances de masa y energía.

4.5.2 Establecer los criterios de selección que ayuden a la obtención de

la alternativa viable (técnicos y económicos).

La selección de los criterios se realiza con el personal de la empresa,

mediante el análisis de las ventajas y desventajas de las alternativas, así

como a través de los costos generados para cada alternativa.

Page 106: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

95

4.5.3 Establecer la ponderación de cada criterio para indicar la

importancia de cada uno.

Al igual que los criterios la ponderación se estableció con el personal de

la empresa donde estos se establecieron a través de la importancia para los

aspectos técnicos y su accesibilidad para los económicos.

4.5.4 Realizar la Matriz de Selección.

Esta matriz de selección se realiza comparando ambas tecnologías, es

decir, el cambio de amina por DGA y la mejora a la problemática actual

manteniendo la MEA con los inhibidores.

Con el desarrollo de esta matriz, se obtendrá el puntaje de cada

alternativa de acuerdo a los criterios y la ponderación establecida con el

personal de la empresa, para por ultimo obtener la alternativa más viable

que será aquella que posea mayor puntuación en la misma.

CAPÍTULO V

En el siguiente capítulo se describe la influencia de la variación en las

condiciones operacionales sobre el endulzamiento de gas con

alcanolaminas en plantas de amoníaco, para establecer

propuestas de mejoras a estas variaciones.

5.1 Realización de los balances de masa y energía de la sección de

lavado de CO2 de la planta de amoníaco a través del programa de

simulación Hysys 3.1.

El simulador comercial Hysys, es muy versátil en el campo de la

petroquímica y el tratamiento de gases. En este caso se utilizó para la

simulación de la sección de lavado de CO2 de la planta de amoníaco, donde

se endulza la corriente de gas proveniente del convertidor de baja

temperatura A-705.

Page 107: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

96

La simulación se realizó introduciendo datos de diseño de los equipos,

con el fin de establecer y validar el paquete termodinámico que más se

adaptara a las condiciones del proceso. Para el circuito cerrado con aminas

no se realizó una selección entre los diferentes paquetes termodinámicos,

debido a que el simulador no contempla como componente a los carbamatos

resultantes de la reacción entre el CO2 y la amina.

Para este tipo de sistemas, el software posee un paquete termodinámico

llamado Amine Pkg, el cual fue desarrollado por la empresa “D.B. Robinson

& Associates”, para su simulador comercial AMSIM. Este paquete

termodinámico es muy específico, y en su librería contempla una serie de

condiciones de operación para este proceso, como lo son:

TABLA 5.1

RANGOS DE OPERACIÓN DEL SIMULADOR HYSYS 3.1

Concentración de la Amina Presión parcial Temperatura Amina %Peso KPa °C

MEA 0-30 0.00007 - 2000 25-125 TEA 0-50 0.00007 - 2000 25-125 DGA 50-70 0.00007-2000 25-125

En caso de que en alguna de estas variables de las corrientes del

programa este fuera de rango, el programa dará un mensaje y colocará a la

corriente en amarillo como un indicativo de alerta. Además de esta alerta,

este paquete establece los componentes dentro de la simulación, y al faltar

uno de los principales (gas ácido, amina y agua), se despliega un mensaje

avisando la ausencia de estos.

Para esta simulación, los componentes del gas son dióxido de carbono,

monóxido de carbono, metano, hidrógeno, nitrógeno y argón. En el caso del

Page 108: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

97

argón el paquete no lo acepta dentro de la simulación, por lo que se eliminó

del balance de masa por ser éste un inerte y no adulterar el proceso de

absorción de CO2, que es el principal objetivo de este sistema.

El acondicionamiento del gas es una etapa de este proceso de suma

importancia porque garantiza las condiciones adecuadas para que se lleve a

cabo la reacción entre el dióxido de carbono y la solución de amina, estas

son alta presión y baja temperatura durante la absorción.

Esto amerita que el gas pase a través de un banco de intercambiadores

F-758 A/B y F-760, para disminuir su temperatura. Inicialmente el diseño

de esta sección fue realizado para operar sólo los F-758 A/B, ellos serían

capaces de llevar la temperatura del gas hasta los 70 ° C, y el F-760 serviría

de ajuste por si los anteriores disminuyeran su eficiencia.

La simulación se realizó para este caso, pero al introducir las

especificaciones de los intercambiadores y los datos de las corrientes, no se

alcanzó los 70°C necesarios para la absorción. La temperatura alcanzada fue

de 93.53°C, proporcionando un error de 33.61%, valor alto de acuerdo a lo

establecido para las simulaciones (10% de error). Esto demuestra que para

acondicionar al gas es necesario utilizar al F-760 para el ajuste de

temperatura.

Cuando se simuló con los tres intercambiadores, se tuvo que la mínima

temperatura que alcanzó el ajustador fue de 80.96°C, proporcionando un

delta de temperatura de 10.96°C, con respecto al balance de diseño. Esta

situación obligó a simular el acondicionamiento del gas con dos corrientes

distintas de agua desmineralizada para cada intercambiador F-758 A y F-

758 B.

Para el circuito TEA, se estableció la regeneración en una torre de 19

etapas, con un rehervidor, cuando en realidad la misma trabaja como una

torre flash, no necesita el flujo de vapores de un rehervidor para que ocurra

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Resultados y Discusiones

98

la expansión, esto se alcanza sólo con la disminución de presión causada

por la válvula. Por lo que éste rehervidor involucrado en la simulación

indicará sólo el aumento del número de etapas de la torre, ya que esta es

una etapa teórica más, por lo que las etapas totales de la torre son 20.

Entre los resultados de la simulación para el circuito TEA, se tiene:

• Temperaturas:

TABLA 5.2

ERRORES EN LAS TEMPERATURAS DE LAS CORRIENTES PARA EL

CIRCUITO TEA

Corriente Diseño (°C) Hysys (°C) Error (%)

2 143.00 143.00 0.00 4 74.10 69.03 6.84 5 127.00 137.20 8.03

TABLA 5.2 (CONTINUACIÓN)

Corriente Diseño (°C) Hysys (°C) Error (%)

6 76.6 70.39 8.11 18 70.00 69.97 0.04 21 70.00 64.05 8.50 22 70.00 64.09 8.44 23 143.00 143.2 0.14 26 143.00 143 0.00 32 46.1. 46.64 1.17 40 75.00 67.71 9.72 41 55.00 57.89 5.25 42 77.00 69.71 9.46 43 77.00 68.66 10.83 45 55.00 57.18 3.96 50 77.00 69.44 9.81 54 70.00 64.05 8.50

Page 110: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

99

ERRORES EN LAS TEMPERATURAS DE LAS CORRIENTES PARA EL

CIRCUITO TEA

De acuerdo a esta tabla, se observa que las temperaturas durante el

circuito TEA se mantuvieron todas cercanas a las de diseño, sólo se alcanzó

una desviación mayor al 10% en la corriente 43, que es la salida de TEA

pobre de la torre C-753.

La temperatura en esta corriente se ve directamente afectada por la

temperatura a la cual ocurre la regeneración y ésta a su vez se ve

perturbada por la disminución de temperatura generada en la válvula,

situación que no se tomó en cuenta en el balance de masa de la empresa

Glitisch.

La variación de temperatura en cualquiera de las corrientes del circuito

trae como consecuencia desviaciones para las demás temperaturas, ya que

el circuito es cerrado, pero aún con la variación en la entrada de la torre C-

753, no se observan errores por encima del 10%.

• Presiones:

TABLA 5.3.

ERRORES EN LAS PRESIONES DE LAS CORRIENTES PARA EL

CIRCUITO TEA

Corriente Diseño (°C) Hysys (°C) Error (%)

2 21.90 21.90 0.00 4 21.30 21.30 0.00 5 21.80 21.82 0.09 6 21.00 21.16 0.76 18 21.30 21.52 1.03 22 21.30 21.30 0.00 23 28.50 28.59 0.32 27 28.50 28.59 0.32

Page 111: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

100

32 21.10 21.21 0.52 35 6.00 6.00 0.00 40 0.703 0.703 0.00 42 0.07 0.07 0.00 43 0.07 0.07 0.00 45 0.04 0.04 0.00 48 5.00 5.00 0.00 54 25.00 25.00 0.00

Para estos valores de presión generados por el simulador, el mayor error

fue de 1.03%, por lo que se tienen valores muy pequeños en cuanto a

desviaciones de presión, traduciéndose en que el simulador en este aspecto

es confiable para la simulación de este circuito.

• Composición y flujo de las corrientes de gas:

Las corrientes más importantes de gas en el circuito TEA son el gas de

entrada a la sección (corriente 1), el de entrada a la torre C-751 (corriente

19), el gas hacia la torre C-752 (corriente 33) y el gas hacia la planta de Urea

(corriente 46). Los errores entre el simulador y el balance de masa y energía

de la empresa Glitisch para estas corrientes se encuentran en la Tabla 5.4.

Los errores encontrados para las composiciones y los flujos de gas son

aceptables dentro de los esperados para las simulaciones, lo que demuestra

la aceptabilidad del paquete termodinámico. Sólo la composición de

nitrógeno hacia la planta de Urea proporciona valores distantes, esto se debe

a que cuando se realizan cálculos de error para mediciones pequeñas, este

se incrementa rápidamente aún cuando las mediciones son relativamente

cercanas.

La Tabla 5.5 muestra los errores para las corrientes de amina. Dentro de

éstas, las variables de interés son la composición másica de TEA tanto rica

como pobre, la composición de CO2, la carga ácida en la amina pobre y rica y

por último el flujo molar total en estas corrientes.

Page 112: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

101

Los errores reportados presentan valores por encima del 10% para la

composición de CO2 y la carga ácida. Esto se debe al efecto que ejerce la

disminución de temperatura en la regeneración de la amina debido a la

válvula.

La regeneración para cualquier circuito de remoción de CO2 con

alcanolaminas se favorece al disminuir la presión y aumentar la

temperatura. Por simulación se tiene una disminución de esta temperatura

con respecto al balance, por lo que se disminuye la cantidad de CO2 liberado

en la regeneración y la corriente de TEA pobre sale de la torre con mayor

cantidad de CO2, traduciéndose en un aumento en la concentración del

mismo; y por lo tanto un aumento en la relación moles CO2/ moles amina

(carga).

Page 113: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

104

TABLA 5.4

ERRORES EN LAS COMPOSICIONES Y FLUJO MOLAR TOTAL EN LAS CORRIENTES DE GAS DEL CIRCUITO TEA

TABLA 5.5

ERRORES EN LA COMPOSICIÓN, FLUJO Y CARGA ÁCIDA EN LAS CORRIENTES DE TEA RICA Y TEA POBRE

Corriente 1 Corriente19 Corriente 33 Corriente 46 Compuesto

Diseño Hysys Error Diseño Hysys Error Diseño Hysys Error Diseño Hysys Error CO (%) 0.2251 0.2252 0.0444 0.3421 0.3417 0.12 0.3997 0.3979 0.45 0.00 0.0015 0.15

CO2 (%) 12.4763 12.4765 0.0016 18.9574 18.8958 0.32 6.9091 6.7925 1.68 85.29 83.0453 2.63

CH4 (%) 0.203 0.203 0.0000 0.3085 0.3081 0.13 0.3604 0.3583 0.58 0.00 0.0026 0.26

H2 (%) 39.225 39.2252 0.0005 59.6013 59.5213 0.13 69.2399 69.2699 0.04 0.3494 0.3652 4.52

N2 (%) 12.813 12.8129 0.0007 19.4691 19.4439 0.13 22.6178 22.6625 0.19 0.09 0.0499 44.55

H2O (%) 35.0575 35.0573 0.0005 1.3215 1.3893 5.13 0.4731 0.519 9.70 14.26 15.5354 8.94 Flujo

(Kgmolh-1) 7186.19 7186.2 0.0001 4729.39 4735 0.11 4047.97 4052.8 0.11 703.98 723 2.70

Corriente 21 Corriente 24 Corriente 40 Compuesto Diseño Hysys Error Diseño Hysys Error Diseño Hysys Error

CO2 (%) 1.525 1.9 24.59 3.1028 3.5 12.80 3.0652 3.49 13.85

TEA 34.46 34.65 0.55

33.8722 34.063 0.56 33.877 34.06 0.54

Carga 0.15 0.19 26.66 0.31 0.35 12.90 0.3062 0.34 11.03 Flujo

(Kgmolh-1) 1640 1600 2.43 1667.57 1634.4 1.98 1680.56 1634.3 2.75

Page 114: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

111

Luego de haber simulado el circuito de TEA se simuló el circuito de MEA,

este circuito ayuda a remover todo el CO2 remanente en el sistema. El mismo

puede absorber las deficiencias presentadas en el circuito TEA, ya que para

esta planta de amoníaco lo fundamental es alcanzar una composición de

entrada al Metanador menor o igual al 0.05% molar; sin tomar en cuenta los

circuitos por separado.

Dentro de este sistema encontramos el purificador de amina, donde su

funcionamiento se explicó en el Capítulo III del presente trabajo. Él es el

encargado de limpiar la amina recirculada en el circuito y por ser un equipo

que trabaja por carga y que en su interior ocurren una serie de reacciones

para liberar la amina de su unión con los ácidos más fuertes que el CO2

(sales termoestables), no se incluyó dentro de la simulación, pero debe

tenerse en cuenta que parte de la MEA dentro del circuito se envía al F-754

para su purificación.

Otro aspecto a considerar es el hecho de que al realizar la simulación se

estableció que el intercambiador F-755 es capaz de intercambiar todo el

calor suficiente entre la amina pobre y la amina rica, por lo que se eliminó

el F-755B de la simulación. Esto se establece de acuerdo a los valores

arrojados por la misma, ya que la temperatura alcanzada por el

intercambiador F-755 es 94.04°C para la corriente de amina rica y la

establecida por diseño con ambos intercambiadores es 100°C. Un diferencial

de temperatura de sólo 6°C para diseñar un intercambiador acarrea altos

costos para la empresa.

Los errores encontrados en este circuito para las temperaturas de las

corrientes son:

Page 115: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

112

TABLA 5.6

ERRORES EN LAS TEMPERATURAS DE LAS CORRIENTES PARA EL

CIRCUITO MEA

Corriente Diseño (°C) Hysys (°C) Error (%)

33 46.1 46.10 0.00 55 46.1 45.28 1.77 56 46.1 45.95 0.32 57 66.4 71.44 7.59 58 118.9 117.30 1.34 59 100 94.04 5.96 60 81.7 95.01 16.29

62 100.0 93.69 6.31

63 89.4 59.26 33.71

64 104.0 102.7 1.25 68 96.2 53.09 44.81 75 90.9 95.81 5.40 78 46.1 45.28 1.77

Para las temperaturas el error más significativo fue en el gas de salida del

enfriador F-752 (68). Para este intercambiador el coeficiente global

introducido es el proporcionado por su hoja técnica, y las especificaciones

encontradas en la misma se introdujeron de tal manera que su área de

transferencia fuese igual a la calculada por el simulador. Lo que significa

que para el balance realizado por la Glitisch, no se contempla todo el calor

que puede generar este intercambiador para estas condiciones.

Hasta los momentos no se tiene registro de cambios realizados al diseño

del equipo que alteren el área de transferencia, factor que influye

directamente sobre el intercambio de calor, por lo que este valor no afecta la

confiabilidad del paquete termodinámico.

Page 116: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

113

Esta discrepancia en los valores de esta temperatura es la causa

fundamental de encontrar un error significativo para la temperatura del

condensado de recirculación a la torre C-754 (63).

Los errores para las presiones en las corrientes se reportan en la Tabla

5.7:

El máximo error encontrado es el reportado para la corriente de MEA

pobre de entrada al F-756, su valor es 7.04%, por debajo del esperado para

las simulaciones, por lo que en cuanto a las presiones los resultados

arrojados por el simulador son bastante aceptables.

TABLA 5.7

ERRORES EN LAS PRESIONES DE LAS CORRIENTES PARA EL

CIRCUITO MEA

Corriente Diseño (°C) Hysys (°C) Error (%)

26 21.90 21.90 0.00 33 21.10 21.20 0.47 55 25.70 24.22 5.76 56 21.10 21.10 0.00 57 21.10 21.10 0.00 58 0.664 0.7028 5.84 60 0.569 0.5608 1.44 62 0.7028 0.7028 0.00 64 0.703 0.7028 0.03 68 0.576 0.6028 4.65 72 5.00 5.712 7.04 75 26.70 24.82 7.04 78 25.70 24.22 5.76

Page 117: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

114

5.2 Realizar los balances de masa y energía de la sección de lavado de

CO2 de la planta de amoníaco a condiciones actuales de operación, a

través del programa de simulación Hysys.

Los balances de masa y energía permiten establecer las variables actuales

presentes en un proceso. Para la puesta en marcha de esta simulación se

realizó una toma de datos en planta durante el mes de agosto, y con el

promedio de estas variables, se estableció la misma.

El gas de proceso de entrada a la sección fue imposible medirlo en planta,

por lo que se realizó un balance de masa en reformación, en el equipo A-702,

resultando que para una carga promedio de 105.5 %, el flujo de gas de

entrada al F-753 en base seca es de 3865.17 kgmolh-1, y por medio de la

relación vapor/gas en esa corriente establecida por análisis de laboratorio,

se obtuvo un flujo de gas total de 6957.32 kgmolh-1.

Para la absorción en la torre C-751, se indicó el número de etapas

calculado a través de la simulación por diseño (43 etapas teóricas), y a

través de ésta se obtiene una composición hacia la torre C-752 de 6.9% en

base seca, y el reportado por el Laboratorio Central para esta corriente es de

7.23%, con un error de 4% entre ambos valores.

Los errores de temperatura en este circuito se reportan en la siguiente

tabla:

TABLA 5.8

ERRORES EN LAS TEMPERATURAS DE LAS CORRIENTES PARA EL

CIRCUITO TEA PARA CONDICIONES ACTUALES.

Corriente Actual (°C) Hysys (°C) Error (%)

2 159.9 159.9 0.00 4 72.9 72.93 0.04

5 137.6 137.6 0.00 6 75.6 77.43 2.42 9 81.34 81.3 0.04

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Resultados y Discusiones

115

TABLA 5.8 (CONTINUACIÓN)

ERRORES EN LAS TEMPERATURAS DE LAS CORRIENTES PARA EL

CIRCUITO TEA PARA CONDICIONES ACTUALES.

El máximo error presentado entre las temperaturas de las corrientes

mencionadas anteriormente es 5.62 %, lo que indica que la simulación

genera valores muy aproximados a los medidos en planta.

Para las presiones en el sistema se tiene:

Corriente Actual (°C) Hysys (°C) Error (%)

10 107.2 107.2 0.00 11 88.82 86.3 2.83 14 89.21 92.1 3.23 15 33.7 33.7 0.00 16 49.8 49.8 0.00 17 63 63 0.00 19 79.1 82.29 4.03 21 67.7 67.7 0.00 22 68.9 67.69 1.75 23 159.9 160.1 0.12 26 159.9 159.9 0.00 31 44.8 44.8 0.00 32 47.9 47.9 0.00 39 75.6 77.17 2.07 42 70.8 74.64 5.42 45 54.4 54.4 0.00 50 67.7 67.7 0.00 53 48 50.7 5.62

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Resultados y Discusiones

116

TABLA 5.9.

ERRORES EN LAS PRESIONES DE LAS CORRIENTES PARA EL

CIRCUITO TEA A CONDICIONES ACTUALES DE OPERACIÓN.

Corriente Actual (°C) Hysys (°C) Error (%)

2 23.78 23.78 0 4 20.5 21.92 6.92 5 23 23.45 1.95 6 19 18.35 3.42 17 21.50 21.92 1.95 18 20.50 21.92 6.92 22 20.50 21.92 6.92 23 30.00 30.50 1.66 32 20.00 20.00 0.00 35 6.00 6.11 1.96 42 0.50 0.50 0.00 45 0.06 0.06 0.00 48 5.750 5.863 1.96 50 25.50 27.00 5.88 54 20.50 21.92 6.92

Las presiones al igual que las temperaturas no presentan desviaciones

significativas, por lo que el simulador a estas condiciones arroja resultados

favorables, ya que el máximo error es del 6.92%.

La simulación del circuito de MEA con datos actuales de operación, es

una simulación que no converge con facilidad. Se introdujeron los datos

tomados en planta y el circuito no pudo ser cerrado con el reciclo, esto se

atribuye a las propiedades termodinámicas para las corrientes a esa presión

y temperatura, ya que el error entre la corriente de MEA pobre de salida del

F-756 y la MEA pobre de entrada a la C-752 son pequeños (Ver Tabla 5.10),

por lo que el reciclo debería alcanzar la convergencia rápidamente:

Page 120: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

117

TABLA 5.10

ERRORES ENTRE LAS CORRIENTES DEL RECICLO EN EL CIRCUITO DE

MEA PARA CONDICIONES ACTUALES

Corrientes 55 78 Error Temperatura (°C) 75 75.00 0.00

Presión (kgcm-2) 20.5 20.50 0.00

Flujo (m3h-1) 189.1 191.38 1.20

CO2 0.03 0.032 6.66

Mea 0.295733 0.290618 1.72

H2O 0.665739 0.676539 1.62

Para el circuito MEA se tienen desviaciones de temperaturas máximas de

13.96% como se observa en la Tabla 5.11:

TABLA 5.11

ERRORES EN LAS TEMPERATURAS DE LAS CORRIENTES PARA EL

CIRCUITO MEA PARA CONDICIONES DE ACTUALES DE OPERACIÓN

Corriente Actual (°C) Hysys (°C) Error (%)

33 47.90 47.90 0.00 55 73.10 75.00 2.59 56 65.90 75.10 13.96 57 97.30 92.27 5.16 58 115.13 114.00 0.98 59 99.40 94.50 4.92 60 113.50 111.80 1.49 62 99.40 94.20 5.23 64 103.80 107.20 3.27 67 51.36 51.36 0.00 68 74.70 74.70 0.00 77 40.90 40.90 0.00 78 73.10 75.00 2.59

Page 121: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

118

El máximo error se presenta en la corriente 56, que es la salida hacia

metanación, este error se le atribuye a las condiciones termodinámicas de

las corrientes en la torre, ya que por el hecho de que el reciclo no se pudo

cerrar, indica una deficiencia en la etapa de absorción para la simulación a

las condiciones de presión y temperatura actuales.

Para las presiones se tienen errores muy pequeños (Ver Tabla 5.12), lo

que ratifica el alcance del paquete termodinámico para estas condiciones.

TABLA 5.12

ERRORES EN LAS PRESIONES DE LAS CORRIENTES EN EL CIRCUITO

MEA PARA CONDICIONES ACTUALES

Corriente Actual Hysys Error

33 20.50 20.90 1.95

55 20.50 20.50 0.00

56 20.50 20.50 0.00

57 21.00 20.50 2.38

58 0.51 0.51 0.00

70 0.40 0.40 0.00

72 5.00 5.00 0.00

75 23.00 23.00 0.00

Como actividad adicional a la simulación se tomó el perfil de temperatura

de los absorbedores C-751 y C-752 en planta. Esto permite estudiar el

desarrollo de la absorción en la torre, ya que se obtiene el punto donde

ocurre la mayor reacción, que es donde se genera mayor temperatura por ser

una reacción exotérmica. Si este punto se encuentra por debajo de 1/3 de la

altura de la torre, valor estimado experimentalmente en sistemas de aminas,

quiere decir que se tiene la suficiente amina como para pasar a través de la

torre y reaccionar con el CO2. Si por el contrario, este punto se encuentra

ubicado hacia la parte superior de la torre, quiere decir que toda la amina

del sistema esta reaccionando al encontrarse con el CO2, traduciéndose en

un déficit de amina para el sistema.

Page 122: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

119

Para ambas torres, este perfil se tomó una vez a la semana, y en todos los

casos la altura de reacción se encontró por debajo de un tercio del empaque

de la torre. Para la C-752 por debajo de 7170 mm y para la C-751 por debajo

de 13778.3 mm (Ver secuencia de Figuras 5.1-5.6).

Figura 5.1 Perfil de temperatura en la torre C-751 para la semana 01

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Altura (mm)

Tem

pera

tura

(°C

)

Page 123: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

120

Figura 5.2 Perfil de temperatura en la torre C-751 para la semana 02

Figura 5.3 Perfil de temperatura en la torre C-751 para la semana 04

65,5

66

66,5

67

67,5

68

68,5

69

69,5

70

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Altura (mm)

Tem

pera

tura

(°C

)

62

64

66

68

70

72

74

76

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Altura (mm)

Tem

pera

tura

(°C

)

Page 124: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

121

Figura 5.4 Perfil de temperatura en la torre C-752 para la semana 01

Figura 5.5 Perfil de temperatura en la torre C-752 para la semana 02

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000

Altura (mm)

Tem

pera

tura

(°C

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Altura (mm)

Tem

pera

tura

(°C

)

Page 125: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

122

Figura 5.6 Perfil de temperatura en la torre C-752 para la semana 04

5.3 Establecimiento de las diferencias existentes entre las condiciones

actuales de operación en la etapa de remoción de CO2 y las condiciones

de diseño.

Si se observa la sección de lavado como una caja negra dentro de la

planta de amoníaco, se tendría que las variables de interés serían las

encontradas en la corriente de gas a endulzar y la corriente hacia

metanación. Esta última presentó un aumento en la composición de CO2

durante el período Enero-Julio del presente año (Figura 5.7), factor que

generó alta temperatura en el metanador, aumentando los riesgos de parada

de planta por este fenómeno, proporcionando pérdidas económicas a la

empresa.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000

Altura (mm)

Tem

pera

tura

(°C

)

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Resultados y Discusiones

111

Figura 5.7 Variación en la composición molar de CO2 en la corriente de entrada al Metanador.

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0,3000

0,3500

0,4000

09/11/2004 29/12/2004 17/02/2005 08/04/2005 28/05/2005 17/07/2005 05/09/2005

Fecha

Com

posi

ción

mol

ar (%

)

Page 127: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

124

Durante el mes de Agosto se realizó una toma de datos en la sección de

lavado con el fin de cuantificar las variaciones en el contenido de CO2 y

establecer las causas que originan estas variaciones. Para lograr este

objetivo, se calcularon los errores existentes entre los valores reportados por

la simulación para datos de diseño y los valores obtenidos por simulación

para datos actuales.

Para el caso de la comparación de flujos de masa y composiciones, es

importante tomar en cuenta el hecho de que la carga de la planta

actualmente presenta un promedio de 105,5% y las condiciones de diseño

están establecidas para 110%. En cuanto a temperaturas para el circuito

TEA la mayor desviación es la encontrada para la corriente de entrada a la

torre C-751, que fue del orden de 17% (Ver Tabla 5.13). Aún cuando esta

temperatura se encuentra 10°C por encima de lo establecido por diseño, la

absorción se da de manera adecuada reportando temperaturas de salida de

la torre con errores sólo de un 5% (corrientes 4 y 22).

TABLA 5.13

DESVIACIONES EN TEMPERATURA DE LAS CORRIENTES ENTRE

CONDICIONES ACTUALES Y DE DISEÑO PARA EL CIRCUITO TEA

Corriente Diseño (°C) Actual (°C) Error (%)

2 143.00 159.90 11.81

4 69.03 72.93 5.64

5 137.20 137.60 0.29

6 70.39 77.43 10.00

18 69.97 82.29 17.60

21 64.05 67.70 5.69

22 64.09 67.69 5.61

23 143.20 160.10 11.80

26 143.00 159.90 11.81

32 46.64 47.90 2.70

Page 128: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

125

TABLA 5.13 (CONTINUACIÓN)

DESVIACIONES EN TEMPERATURA DE LAS CORRIENTES ENTRE

CONDICIONES ACTUALES Y DE DISEÑO PARA EL CIRCUITO TEA

Corriente Diseño (°C) Actual (°C) Error (%)

40 67.71 77.17 13.97

42 69.71 74.64 7.07

45 57.18 54.40 4.86

53 50.70 48.00 5.32

54 64.05 67.70 5.69

Para efecto de las presiones el máximo error encontrado es para la

corriente de entrada a la torre desorbedora (Ver Tabla 5.14), donde se tiene

una desviación del 28.8%. El valor de diseño para esta corriente es 0.703

Kgcm-2g y en la actualidad se tiene en 0.5 kgcm-2g. Esta disminución

favorece a la expansión en la torre, ayudando a la liberación de CO2.

TABLA 5.14

DESVIACIONES EN PRESIONES DE LAS CORRIENTES ENTRE

CONDICIONES ACTUALES Y DE DISEÑO PARA EL CIRCUITO TEA

Corriente Diseño (kgcm-2g) Actual (kgcm-2g) Error (%) 2 21.90 23.78 8.58

4 21.30 21.92 2.91

5 21.82 23.45 7.47

6 21.16 18.35 13.27

18 21.52 21.92 1.85

22 21.30 21.92 2.91

23 28.59 30.50 6.68

27 28.59 30.50 6.68

32 21.21 20.00 5.70

35 6.00 6.118 1.96

39 0.703 0.50 28.87

Page 129: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

126

TABLA 5.14 (CONTINUACIÓN)

DESVIACIONES EN PRESIONES DE LAS CORRIENTES ENTRE

CONDICIONES ACTUALES Y DE DISEÑO PARA EL CIRCUITO TEA

Corriente Diseño(kgcm-2g) Actual(kgcm-2g) Error (%) 42 0.703 0.50 28.87 45 0.04 0.06 5.00 48 5.00 5.863 17.26

54 25.00 21.92 12.32

Por otra parte el circuito de MEA presenta desviaciones significativas en

cuanto a temperaturas y presiones (Ver Tabla 5.15 y 5.16), ya que se

encuentran por el orden del 66.6% y, estas desviaciones influyen

directamente sobre el desarrollo de la absorción y regeneración de la mina, y

traen como consecuencia las fluctuaciones en la corriente de salida, y como

se dijo anteriormente un valor de composición de CO2 fuera de

especificación, puede llevar a una parada en Metanación.

TABLA 5.15

DESVIACIONES EN TEMPERATURAS DE LAS CORRIENTES ENTRE

CONDICIONES ACTUALES Y DE DISEÑO PARA EL CIRCUITO MEA

Corriente Diseño (°C) Actual(°C) Error (%)

33 46.10 47.90 3.90

55 45.28 75.00 65.63

56 45.08 75.13 66.65

57 70.48 92.27 30.91

58 117.30 114.00 2.81

59 93.62 94.50 0.93

60 94.46 111.80 18.35 62 93.36 94.20 0.89

63 57.77 100.90 54.65

64 102.10 107.20 4.99 68 53.09 74.70 40.70 75 95.81 112.50 17.41

Page 130: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

127

TABLA 5.16

DESVIACIONES EN PRESIONES DE LAS CORRIENTES ENTRE

CONDICIONES ACTUALES Y DE DISEÑO PARA EL CIRCUITO MEA

Es por esto que este problema fue sometido a discusión, donde se llevó a

cabo una tormenta de ideas y se plantearon todos los factores que podrían

generar un aumento en el CO2 hacia metanación, y a partir de aquí se

estableció el árbol de falla mostrado en la Figura 5.8.

Las principales causas que originan el aumento en el contenido de CO2

de la sección de lavado son las que se encuentran en el primer nivel del

árbol de falla: presión y temperatura de operación fuera de rango, deficiencia

de contacto en la torre de absorción, concentración inadecuada de MEA,

flujo de recirculación de amina inadecuado, alto porcentaje de CO2 a la

entrada de la sección, carga ácida de amina alta y alto flujo de CO2 a la

entrada de la sección, y a continuación se presenta el análisis realizado para

la verificación de cada una de las hipótesis:

La concentración de CO2 a la entrada del sistema MEA, depende de la

absorción en el circuito TEA, ya que este remueve la mayor cantidad de CO2

Corriente Diseño Actual Error 26 21.90 21.90 0.00

33 21.20 20.90 1.41

55 24.22 20.50 15.35

56 21.10 20.50 2.84

57 21.10 20.50 2.84

58 0.7028 0.51 27.43

59 20.69 2.60 87.43

60 0.5608 0.50 10.84

64 0.7028 0.51 15.28

72 5.33 5.00 6.19

75 24.82 25.02 0.80

78 24.22 20.50 15.35

Page 131: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

124

Figura 5.8 (a) Árbol de Falla.

FLUCTUACIONES O AUMENTO EN LA COMPOSICIÓN DE CO2 A LA SALIDA DE LA SECCIÓN DE LAVADO DE LA PLANTA DE

AMONÍACO

Alto % CO2 a la entrada de la sección de

lavado

Presión de absorción fuera

de rango

Temperatura de absorción fuera

de rango

Deficiencia de contacto en la Torres de Abs.

Flujo de Recirculación

de Amina Inadecuado

Concentración inadecuada de

la Amina

Carga ácida de la amina elevada

Flujo de Gas de entrada

Inadecuado

Temperatura de Regeneración no

adecuada

Presión de Regeneración no

adecuada

Deficiencia de contacto en la Torres de Reg.

Análisis de Laboratorio

inadecuados

Temperatura de Entrada del Gas

inadecuada

Temperatura de Entrada de la Amina

inadecuada

Flujo de Gas de Entrada

Inadecuado

Deficiencia de transferencia de calor en el F-756

Deficiencia de transferencia de calor en el F-755

Diseño inadecuado del F-755

Diseño inadecuado del F-756

F-755 B Fuera de Servicio

Disminución del área de

transferencia mayor al 10% del

total

Aumento de las Temperaturas de

Entrada al Intercambiador F-

755

Temperatura de Absorción no

adecuada

Temperatura de Regeneración no

adecuada

1

1

Ensuciamiento

Fallas en la instrumentación

para medir temperatura

Taponamiento de tubos por

rotura

3

Page 132: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

125

Figura 5.8 (b) Árbol de Falla.

Ensuciamiento

3

Ensuciamiento Lado Tubos

Ensuciamiento Lado Carcasa

Alto Contenido de sólidos suspendidos

Alto Contenido de sales termoestables

Alto Contenido de productos de la

degradación de la MEA

Formación inadecuada de la capa pasivante de los

inhibidores de Amine Guard

Corrosión de las líneas y equipos

Pérdida de carbón activado del Filtro

Deficiencia en el sistema de filtrado

Formación inadecuada de la capa pasivante de los

inhibidores de Amine Guard

Cumplimiento del tiempo de vida útil de los filtros de

cartucho

Flujo de MEA a los filtros inadecuado

Diseño inadecuado de los filtros de cartucho

Configuración inadecuada de los filtros

4

4

Formación adecuada de la capa pasivante de los inhibidores de Amine

Guard

Tecnología inadecuada

Resultados de análisis de laboratorio inadecuados

Page 133: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

126

Figura 5.8 (c) Árbol de Falla.

4

Formación inadecuada de la capa pasivante de los inhibidores de

Amine Guard

Dosificación inadecuada de los Inhibidores

Concentración inadecuada de los inhibidores

Resultados de análisis de laboratorio

inadecuados

Dosificación inadecuada de los Inhibidores

Pérdida excesiva de los

inhibidores en el sistema

Pérdida de Amina por encima de lo especificado

por diseño

Operación del Purificador de MEA (F-754)

Retención de vanadio en los

filtrosMuestreo

inadecuado Ejecución

inadecuada del análisis

5

5

Flujo de MEA a los filtros inadecuado

6

Page 134: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

127

Figura 5.8 (d) Árbol de Falla.

Dosificación inadecuada de los Inhibidores

5

Falta de instrumentación requerida en el sistema Amine

Guard

Cálculos inadecuados de la cantidad de inhibidores a

agregar

Condiciones de operación

inadecuadas para la

dosificación

No se sigue el Procedimiento de dosificación

Instrumentación inadecuada (T,

pH) en el sistema Amine

Guard

Page 135: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

128

Figura 5.8 (e) Árbol de Falla.

Pérdida de Amina por

encima de lo especificado por

6

Temperatura de absorción no adecuada

Temperatura de

Regeneración

Apertura de las válvulas de drenaje

Arrastre de MEA en las

Operación del

Purificador

Degradación de la amina

1

Rotura de líneas y equipos

Temperatura de absorción no adecuada

Temperatura de

Regeneración

1

Page 136: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

133

en la sección de lavado. Este sistema no presenta desviaciones significativas

con los datos de diseño, aun cuando la más alta obtenida en la temperatura

fue de 17% para la corriente de gas a absorción y 23% para la presión de

regeneración de la torre C-753.

Por otra parte se realizaron análisis de laboratorio donde se encontró que

la concentración de CO2 a la entrada de la Columna C-752 fue de 7.26%

molar cuando por diseño se establece 6.9%, lo que equivale a un error de 4%

con respecto al diseño, y a partir de aquí se descarta esta hipótesis del Árbol

realizado.

Se pudo verificar que la presión de entrada a la torre fue de 20.9 kgcm-2 y

por diseño se establece que la presión de absorción debe ser 21.1 kgcm-2,

generándose un error entre estas variables de 0.95%, valor considerado sin

desviación significativa permitiendo descartar esta causa entre las antes

mencionadas.

En las diferentes simulaciones realizadas a la sección de lavado con MEA

se ha podido constatar que con el arreglo disponible de la Torre de Absorción

es posible disminuir el contenido de CO2 de la corriente gaseosa hasta el

valor requerido en la entrada del metanador, es decir el número de etapas

teóricas de esta columna son suficientes para el cumplimiento de la función,

por otro lado, al observar los datos operacionales, perfil de temperatura y

presión en diferentes puntos del sistema, han permitido verificar que las

partes mecánicas internas de la torre se mantienen sin alteraciones (No hay

desprendimiento de platos o soporte del relleno o caminos preferenciales del

gas). Además de que en el pasado han ocurrido estos fenómenos y se ha

observado taponamiento de intercambiadores de calor y bombas con anillos,

traduciéndose en variaciones significativas de las presiones de operación.

De acuerdo a los datos de diseño la concentración de MEA se debe

mantener en 29.12% para MEA pobre y 28.62% para MEA rica, mientras que

actualmente estas concentraciones se encuentran en promedio en 29.57%,

Page 137: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

134

lo que equivale a un error de 1.55%, y 27.47%, traduciéndose en 4.01% de

error, respectivamente, por lo que no se considera como factor contribuyente

al aumento repentino de la concentración de CO2 observado durante meses

anteriores.

Según las condiciones de diseño de esta sección de la planta de

amoníaco, para una carga en Reformación de 110% se requiere mantener un

flujo de amina de 209.29 m3h-1 al 29.12% de concentración, lo que significa

que para una carga en Reformación de 105% se debe mantener un flujo de

MEA recirculado de 199.80 m3h-1, y al comparar este valor con el valor de

operación actual, 189.10 m3h-1, se obtiene un error de 5.34%, por lo tanto

esta hipótesis no contribuye con el aumento de la concentración del CO2 a la

salida de la sección.

Tal como se especificó anteriormente, la sección de lavado, luego de las

modificaciones realizadas en el año 1997, está diseñada para trabajar a una

carga en Reformación de 110%, lo que significa un flujo de gas de entrada a

la sección de 7197.97 kgmolh-1, y actualmente la carga se mantiene en

105% en promedio, es decir 6900 kgmolh-1 de gas, por lo tanto no se está

trabajando con un exceso de flujo de gas y el valor de flujo de MEA manejado

actualmente se aproxima al valor de diseño para una carga de 110%, por lo

que se pudiera hablar es de un exceso de amina en el sistema.

Según el árbol de fallas realizado, se determinó que la causa principal del

aumento de la concentración del CO2 en la entrada del metanador es la

deficiencia en la transferencia de calor en el intercambiador de

Amina/Amina F-755 que ha originado altas temperaturas en la Torre de

absorción y por ende deficiencias en la eliminación de CO2. Es importante

resaltar que la condición de alta temperatura en la torre de absorción es una

condición que se ha mantenido constante en lo que va de año, lo que

mantiene la columna en su límite para garantizar la absorción, y cualquier

variación de algún otro parámetro operacional puede ocasionar ese aumento

puntual del contenido de CO2 observado en el transcurso del año.

Page 138: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

135

Con la finalidad de determinar todos los factores que contribuyen al

ensuciamiento acelerado del intercambiador de Amina/Amina F-755 se

continuó el desarrollo del árbol de falla, planteándose entonces que este

fenómeno se debe a la formación de la capa pasivante de los inhibidores de

Amine Guard y al alto contenido de sólidos suspendidos manejados en la

solución.

El desarrollo de la hipótesis de alto contenido de sólidos suspendidos

asoma tres puntos importantes, el primero es la corrosión de las líneas y

equipos, la cual es descartada debido a que los análisis de laboratorio

indican que el contenido de hierro disuelto en la solución de amina se

encuentra por debajo de 30 ppm (máximo valor permitido para sistemas de

aminas). El segundo es la deficiencia en el sistema de filtrado,

descartándose esta debido a que los análisis de laboratorio realizados en las

corrientes de entrada y salida de los filtros demuestran una remoción del

100% de los sólidos. Por lo que el desarrollo de esta rama conlleva a la

formación inadecuada de la capa pasivante de los inhibidores Amine Guard.

Por diseño la capa pasivante se forma por precipitación de las sales de

antimonio, y sumado a la reducción del vanadio conforman la película

protectora de corrosión en tuberías y equipos. Al realizar un estudio más

profundo de los que es el Sistema Amine Guard, se establece que la

formación adecuada de la capa pasivante depende operacionalmente del

flujo de MEA hacia los filtros, de mantener la concentración adecuada de los

inhibidores y el procedimiento de dosificación de acuerdo a lo establecido en

el Manual de Amine Guard.

Actualmente el flujo de MEA enviado a los filtros es de 11.6 m3/h, siendo

el valor de diseño de 11.3 m3/h lo que equivale a un error de 2.60%, lo que

permite descartar esta hipótesis del árbol de falla.

Los análisis de laboratorio realizados para determinar la concentración

de los inhibidores de corrosión demuestran que existe un control inadecuado

Page 139: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

136

del Sistema Amine Guard, como se muestra en la secuencia de Figuras 5.9-

5.15. Este descontrol es producto de las deficiencias de instrumentación

(Medidores de Temperatura y pH) y problemas en cuanto a muestreo de la

solución (recipientes utilizados que no están completamente sellados y

procedimientos que no se pueden cumplir por las fallas de instrumentación).

Es decir, además de que por diseño esta contemplada la precipitación de

compuestos en la solución, los problemas mencionados anteriormente

contribuyen a acelerar el ensuciamiento del intercambiador.

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

800.00

900.00

1000.00

09/11/2004 29/12/2004 17/02/2005 08/04/2005 28/05/2005 17/07/2005 05/09/2005 25/10/2005

Fecha

Con

cent

raci

ón (p

pm)

Figura 5.9 Variación del Vanadio total a la entrada del sistema

Amine Guard.

Page 140: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

137

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

09/11/2004 29/12/2004 17/02/2005 08/04/2005 28/05/2005 17/07/2005 05/09/2005 25/10/2005

Fecha

Con

cent

raci

ón (p

pm)

Figura 5.10 Variación del Vanadio pentavalente a la entrada del sistema

Amine Guard.

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

800.00

900.00

09/11/2004 29/12/2004 17/02/2005 08/04/2005 28/05/2005 17/07/2005 05/09/2005 25/10/2005

Fecha

Con

cent

raci

ón (p

pm)

Figura 5.11 Variación del vanadio tetravalente a la entrada del sistema

Amine Guard.

Page 141: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

138

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

09/11/2004 29/12/2004 17/02/2005 08/04/2005 28/05/2005 17/07/2005 05/09/2005 25/10/2005

Fecha

Con

cent

raci

ón (p

pm)

Figura 5.12 Variación del vanadio total a la salida del sistema Amine

Guard

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

09/11/2004 29/12/2004 17/02/2005 08/04/2005 28/05/2005 17/07/2005 05/09/2005 25/10/2005

Fecha

Con

cent

raci

ón (p

pm)

Figura 5.13 Variación del vanadio pentavalente a la salida del sistema Amine

Guard

Page 142: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

139

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

800.00

900.00

09/11/2004 29/12/2004 17/02/2005 08/04/2005 28/05/2005 17/07/2005 05/09/2005 25/10/2005

Fecha

Con

cent

raci

ón (p

pm)

Figura 5.14 Variación del vanadio tetravalente a la salida del sistema

Amine Guard.

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

09/11/2004 29/12/2004 17/02/2005 08/04/2005 28/05/2005 17/07/2005 05/09/2005 25/10/2005

Fecha

Con

cent

raci

ón (p

pm)

Figura 5.15 Variación del antimonio en el sistema Amine Guard.

Page 143: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

140

5.4 Proponer alternativas que permitan reducir la diferencia entre las

variables de operación actuales y las de diseño.

Luego de la evaluación de las condiciones actuales del proceso y de la

realización del árbol de fallas donde se analizaron las causas de la variación

de la composición de CO2 hacia metanación, se generaron las siguientes

alternativas de solución a la problemática encontrada:

CASO 1:

La principal causa de los aumentos de temperatura en el circuito de MEA

es la deficiencia de intercambio en el F-755 originada por la formación de la

capa pasivante de Amine Guard, tanto porque el diseño contempla la

precipitación del antimonio, como por el control inadecuado de la

dosificación de los inhibidores en la sección.

El trabajar a concentraciones de MEA por encima del 20%, hace

indispensable la dosificación de los inhibidores y por ende el ensuciamiento

paulatino del F-755. Por lo tanto, para evitar el aumento en las

temperaturas en la sección de MEA se debe contemplar la limpieza periódica

de este intercambiador.

Durante la parada mayor de la planta de amoníaco de noviembre del año

2003 se realizó la limpieza química y mecánica de este intercambiador y del

intercambiador de placas F-755B, éste último estuvo en funcionamiento por

dos semanas hasta que se obstruyó el paso de la amina y fue necesario

sacarlo de servicio nuevamente. A partir de ese momento el diferencial de

temperatura disminuyó como se muestra en la Figura 5.16:

Page 144: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

141

0

2

4

6

8

10

12

14

06/10/03 14/01/04 23/04/04 01/08/04 09/11/04 17/02/05 28/05/05 05/09/05 14/12/05

Fecha

Dif

eren

cial

de

tem

pera

tura

(°C

)

CarcasaTubos

Figura 5.16. Variación del diferencial de temperatura por lado tubo y

coraza para el intercambiador F-755 desde Enero-2004 hasta

Septiembre-2005

Actualmente el diferencial de temperatura es de 2 °C y esta disminución

de temperatura debido al ensuciamiento del intercambiador también se

corrobora en planta con la caída de presión de 18 kgcm-2, para el lado

carcasa.

A partir del gráfico anterior se establece la frecuencia de lavado del

intercambiador, considerando que para garantizar la estabilidad de la

sección de lavado con MEA, la disminución de su diferencial de temperatura

no debe ser menor del 50% logrado con el equipo limpio.

De acuerdo al delta de temperatura alcanzado luego de la parada del

2003, se tiene que el 50% de este valor es 6°C por el lado carcasa, donde se

presenta la condición más crítica, lo que significa que la limpieza se debe

realizar anualmente.

Page 145: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

142

Para realizar el mantenimiento de este intercambiador se requiere una

limpieza tanto mecánica como química, debido a la poca solubilidad de los

compuestos en solución.

La limpieza química se realiza mediante la recirculación de distintas

soluciones durante 24 horas, de acuerdo a las siguientes etapas:

• Lavado alcalino.

• Neutralización.

• Lavado ácido.

• Neutralización.

• Pasivación.

La etapa de lavado alcalino, esta prevista para remover productos

orgánicos que puedan haberse desarrollado en el sistema y para

acondicionar otros depósitos típicos del mismo, tales como óxidos de hierro,

productos de dureza del agua, sílice, fosfatos, etc. Estos productos serán

removidos en la etapa de limpieza ácida siguiente, finalmente el

procedimiento contempla la ejecución de un pasivado del sistema, para así

evitar la oxidación de la superficie metálica tratada. Para la realización de

lavado alcalino, se emplea la siguiente solución:

TABLA 5.17

SOLUCIÓN PARA EL LAVADO ALCALINO DE INTERCAMBIADORES

PRODUCTO CONCENTRACIÓN (% P/V)

NaOH (Hidróxido de Sodio) 0.5 %

Na2SiO3 (Metasilicato de Sodio) 2.0 %

Na3PO4 (Fosfato Trisódico) 1.0 %

Na2CO3 (Carbonato de Sodio) (Soda ASH Liv) 1.0 %

Page 146: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

143

Luego de recircular esta solución se hará fluir agua desmineralizada para

neutralizar el sistema. Para posteriormente recircular la siguiente solución

para el lavado ácido:

TABLA 5.18

SOLUCIÓN PARA EL LAVADO ÁCIDO DE INTERCAMBIADORES

PRODUCTO CONCENTRACIÓN (% P/V)

C3H4(OH)(CO2H)3 (Ácido Cítrico) 3.0

NH3(H2O) (Solución amoniacal) Para ajustar el pH (3-3.5)

Vempers 92 0.5 % (p/p)

Esta solución no disuelve los sólidos depositados, sólo facilita su

desprendimiento de la superficie de los tubos. Por último la solución

recirculada se utiliza para la pasivación del sistema:

TABLA 5.19

SOLUCIÓN PARA PASIVACIÓN DE INTERCAMBIADORES

PRODUCTO CONCENTRACIÓN (% P/V)

C3H4(OH)(CO2H)3 (Ácido cítrico) 0.25

NaNO2 (Nitrito de sodio) 0.5

Sol. Amoniacal 28% Para ajustar pH a 9

La limpieza mecánica se efectúa inyectándole agua a presión para

remover los depósitos, pero para la limpieza del lado carcasa se requiere la

extracción del haz tubular.

Page 147: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

144

Para realizar los procedimientos de limpieza es necesaria la parada

temporal de la planta generándose pérdidas en producción de amoníaco. Por

esta razón una de las alternativas planteadas es la colocación de un

intercambiador igual al existente en paralelo con el mismo, que sirva de

respaldo para la limpieza del que se encuentre en operación. El diagrama de

flujo para esta alternativa sería:

Figura 5.17. Diagrama de flujo del circuito de MEA con la colocación de

un intercambiador en paralelo al F-755.

CASO 2:

Debido a que la principal fuente de ensuciamiento en el sistema de MEA

es la formación de la capa pasivante del sistema Amine Guard, se plantea

como posible solución a este problema cambiar la solución de amina

existente por una solución de DGA al 50% en peso, debido a que ésta es una

amina primaria igual que la MEA, altamente reactiva y que opera en forma

DESDE SR-752 SEC. DE LAVADO CON TEA

C-752

GAS A LA SECCIÓN DE REFORMACIÓN

C-754

F-755

F-756

A AMINE GUARD

F-754 F-753

PC-752 A/B

F-752

SR-753CO2 A PLANTA DE UREA

PC-753 A/B

Page 148: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

145

natural sin la necesidad de adicionar algún inhibidor de corrosión,

evitándose el posible taponamiento de equipos.

Por otra parte se evita que el personal entre en contacto con químicos

como el vanadio y el antimonio, conocidos como agentes perjudiciales para

la salud. La eliminación del uso de Amine Guard evitaría la inyección de aire

al sistema, fuente de degradación de la amina y factor generador de

corrosión en tuberías.

El uso de esta amina es conocido a nivel mundial, aquí en Venezuela,

Pequiven El Tablazo realizó esta modificación, que servirá de referencia para

evaluar los posibles problemas operacionales que se puedan presentar,

además de contar con su apoyo para suministro de la amina en el caso de

cualquier eventualidad presentada en el proceso de compra.

Figura 5.18. Sistema de absorción de CO2 con Diglicolamina.

DESDE X-702

A LA SEC. DE REFORMACIÓN

DESDE SR-752 SEC. DE LAVADO CON TEA

C-

GAS A LA SECCIÓN DE REFORMACIÓN

C-754

F-755

F-756

A AMINE GUARD

F-754

A F-757

SR-755

F 753

PC-752 A/B

A C-751

F-752

SR-753CO2 A PLANTA DE UREA

PC-753 A/B

PC-754 A/B

Page 149: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

146

5.5 Realizar una evaluación técnico-económica de las alternativas de

solución a los problemas de la sección de lavado.

La solución a la problemática planteada en el objetivo 3 del presente

trabajo, se corrige por medio de la implementación de cualquiera de las

siguientes alternativas, la primera es la colocación de un intercambiador de

calor paralelo al F-755, que permita que éste se limpie mientas el otro se

encuentra en servicio y la segunda es cambiar el solvente existente por uno

con mayor capacidad de absorción (DGA).

CASO 1: Implementación de un intercambiador en paralelo

La instalación de este intercambiador permitirá reducir las pérdidas de

amina por evaporación y arrastre debido a las altas temperaturas en las

torres de la sección, así como también, permitirá que la absorción en la torre

se efectúe de tal manera que la composición de CO2 hacia metanación se

encuentre dentro de los parámetros de especificación, con un flujo de amina

adecuado, evitando así posibles paradas de la etapa de metanación.

Además la corrosión en sistemas de tratamiento de gases se favorece a

altas temperaturas, por lo que se mejoraría el factor corrosivo de la amina al

disminuir las temperaturas. Por otro lado esta opción permitirá que el lavado

del intercambiador se realice con la planta en marcha, lo que reduce las

pérdidas de producción y por consiguiente las pérdidas económicas para la

empresa, es decir que no es necesario esperar hasta las paradas de planta

para poder optimizar el funcionamiento del intercambiador, ya que estará

disponible otro para reemplazarlo.

Es importante resaltar que al incluir el intercambiador en el sistema se

esta mejorando el problema de alta temperatura de absorción en la sección,

pero no se está atacando la causa raíz del problema que es el ensuciamiento

del intercambiador debido a la precipitación de los inhibidores del sistema

Amine Guard.

Page 150: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

147

Para trabajar con altas concentraciones de amina se incluyó este sistema

de inhibidores, debido a que la MEA es muy corrosiva, y si éste se elimina

para disminuir la rata de ensuciamiento del intercambiador, es

indispensable reducir la concentración de amina por debajo del 20%.

Trabajar a esta concentración de amina implica una disminución en la carga

de la planta o un aumento de CO2 en la corriente hacia metanación, ya que a

estas concentraciones la amina no es capaz de eliminar todo el CO2

requerido.

Actualmente la empresa consume un total de 560 tambores de MEA

anuales, cada tambor posee 200 kg de amina, lo que se traduce en

112.000,00 kg. La amina que se arrastra en las torres no se recupera, por lo

que se tiene que reponer en el sistema para alcanzar las concentraciones

deseadas para una buena absorción con el contenido de CO2 dentro de

especificación, esta reposición genera costos anuales de 651 MM Bs., que

sumados a los generados por el consumo de Amine Guard (Ver Tabla 5.20)

resulta 653 MM Bs. de costos operacionales actuales.

TABLA 5.20

COSTOS OPERACIONALES ACTUALES POR AMINE GUARD

Inhibidores Costo

(Bs./cuñete) Cuñetes Total (Bs.) Inh. A 25262.5 5 116.855

Inh. B 15394 2 30.788

Inh. C 55900 28 1.573.607

TOTAL

1.721.250

Por otra parte, el intercambiador mejoraría las temperaturas en el

sistema y sus valores llegarían a igualarse a los de diseño. Para estas

condiciones las pérdidas de amina son de 3.57 kgh-1, aproximadamente 141

tambores de amina anuales, esto genera unos costos operacionales de 165

MM Bs. Al obtener la diferencia entre el consumo de amina actual y el

Page 151: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

148

consumo de amina por diseño se logra ahorrar, al implantar esta alternativa

487 MM Bs. aproximadamente.

La inversión inicial necesaria para la implementación de este

intercambiador incluye, la ingeniería, suministro de materiales, fabricación,

ensayos, transporte, instalación, imprevistos y los costos por mantenimiento

del equipo en cuanto al lavado químico.

La ingeniería, suministro de materiales, fabricación, ensayos y transporte

fueron cotizados por el personal de PEQUIVEN a través de la empresa TRIME

C.A. La instalación se estimó como un 30% del valor del equipo, los

imprevistos se estimaron como un 5% del mismo y el costo por

mantenimiento fue proporcionado por personal de la empresa. Todos estos

costos se indican en la tabla 5.21

TABLA 5.21

INVERSIÓN INICIAL PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Requerimientos Costos ( MM Bs.) Intercambiador de calor de tubo y carcasa igual al existente 618

Instalación del Equipo 185

Imprevistos 31

Solución para limpieza química 31

TOTAL 865

La estimación del tiempo en que se recupera la inversión, se realizó

asumiendo que la empresa esta dispuesta a proporcionar el mismo dinero

que se está consumiendo actualmente, por concepto de pérdida de amina,

así todo el ahorro serviría para pagar la inversión inicial del intercambiador.

Page 152: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

149

De acuerdo al ahorro obtenido anualmente, los costos operacionales y la

inversión, se tiene que el intercambiador se paga en casi tres años (ver Tabla

5.22)

TABLA 5.22

ESCALA DEL TIEMPO PARA LA ESTIMACIÓN DE COSTOS DE LA

IMPLEMENTACIÓN DEL INTERCAMBIADOR

Caso I

Año 1 Año 2 Año 3 Inversión Inicial (MM Bs.)

865,250,386.00 544,875,212.30 255,401,838.11

Gastos Anuales (MM Bs.) 166,226,938.59 197,128,738.09 197128738.09

Ahorro (MM Bs.) 486,602,112.28 486,602,112.28 486602112.28

Total (MM Bs.) -544,875,212.30 -255,401,838.11 34,071,536.09

En la tabla anterior se observa que invertir 865 millones de bolívares se

recuperan en casi 3 años, por lo que se desglosó el último año, y se realizó

un estimado mensual, para establecer con mayor exactitud el tiempo en

recuperar la inversión (Ver Tabla 5.23):

CASO 2: Cambio de solvente

Para la segunda alternativa (cambio de solución al 30% peso de MEA por

una solución al 50% peso de DGA), se realizó un balance de masa y energía

por medio del programa de simulación Hysys (ver Apéndice D), con el fin de

establecer las condiciones operacionales de este circuito, manteniendo los

mismos equipos en planta, y para predecir la composición de CO2 hacia

metanación al cambiar el solvente.

A partir de la implementación de esta alternativa se ataca directamente la

causa raíz, ya que se elimina del sistema la fuente de ensuciamiento

(sistema Amine Guard). Debido a que la DGA es una amina primaria

altamente reactiva con un peso molecular mayor que la MEA, y con un

punto de ebullición mayor es la amina encontrada en el mercado que

garantiza el funcionamiento adecuado de la sección de lavado con altas

Page 153: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

133

TABLA 5.23

ESTABLECIMIENTO DEL TIEMPO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSÓN INICIAL PARA COLOCAR EL

INTERCAMBIADOR PARALELO AL F-755 PARA EL ÚTIMO AÑO.

TABLA 5.23 (CONTINUACIÓN)

ESTABLECIMIENTO DEL TIEMPO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSÓN INICIAL PARA COLOCAR EL

INTERCAMBIADOR PARA LELO AL F-755 PARA EL ÚTIMO AÑO.

Caso I Año 3 7 8 9 10 11 12 Inversión Inicial

(MM Bs.) 141 117 93 68 44 20 Gastos Mensuales

(MM Bs.) 15 15 15 15 15 15 Ahorro

(MM Bs.) 39 39 39 39 39 39 Total

(MM Bs.) -117 -93 -68 -44 -20 4

Caso I Año 3 1 2 3 4 5 6 Inversión Inicial

(MM Bs.) 255 262 238 214 189 165 Gastos Mensuales

(MM Bs.) 46 15 15 15 15 15 Ahorro

(MM Bs.) 39 39 39 39 39 39 Total

(MM Bs.) -262 -238 -214 -189 -165 -141

Page 154: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

151

concentraciones, menor flujo de recirculación y menos corrosión en las

líneas y equipos.

El cambio del solvente implica estudiar en profundidad la capacidad de

los equipos presentes en la sección, esto se realizó a través de la simulación,

determinándose que no es necesaria la modificación de ningún equipo, ya

que los intercambiadores tienen la capacidad de transmitir todo el calor

requerido por cada corriente y son capaces de manejar las temperaturas

adecuadas para la absorción y desorción en el sistema, las etapas de la torre

son suficientes para una buena absorción y por último, las bombas son

capaces de manejar el flujo de recirculación.

La inversión inicial de este proyecto fue proporcionada por la empresa

“International Procurement Services C.A.”, y ésta incluye la cantidad de

solución al 50% en peso de DGA que se debe adicionar para abarcar un

volumen de 145 m3, que es el volumen del sistema, además es importante

resaltar que el sistema se debe acondicionar para incluir esta amina, a

través del lavado a los intercambiadores F-755, F-756, F-753 y al purificador

de amina. Ambos puntos generan costos de orden de los 628 MM Bs.

TABLA 5.24

INVERSIÓN INICIAL PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL CAMBIO DE

SOLVENTE

Requerimientos Costos (MM Bs.) Solución de Amina 483 Limpieza y acondicionamiento del sistema para el cambio de la solución 145 TOTAL 628

La reposición de amina para este sistema será la establecida por

simulación en cuanto al arrastre de la torre C-752 hacia metanación y por el

arrastre de la torre C-754 hacia la planta de Urea. Al sumar ambos arrastres

se tiene que las pérdidas son de 3.1 kgh-1, y al estimar el costo de esta DGA

Page 155: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

152

que es irrecuperable, da como resultado un costo operacional de 162 MM

Bs. /año por este concepto.

De implementarse esta alternativa la empresa tendría un ahorro de 491

MM Bs. anuales, éste se calculó obteniendo la diferencia entre el consumo

de amina actual menos los costos asociados a inhibidores y al arrastre de

DGA en las torres por simulación.

Por otra parte esta alternativa permite ahorrase costos de mantenimiento

del intercambiador amina-amina, y que el sistema estaría mucho más libre

de sólidos que se depositen sobre la superficie de los equipos. Este

mantenimiento se haría sólo con las paradas de planta mayor.

Para la estimación del tiempo en que se paga la inversión inicial de esta

alternativa, igualmente se realizó a partir del ahorro generado para la

empresa si ésta se llegara a implementar (ver Tabla 5.25).

TABLA 5.25

ESCALA DEL TIEMPO PARA LA ESTIMACIÓN DE COSTOS DE LA

IMPLEMENTACIÓN DEL CAMBIO DE SOLVENTE

Caso 2 Año 1 Año 2

Inversión Inicial (MM Bs.) 628 299

Gastos Anuales (MM Bs.) 162 162

Ahorro (MM Bs.) 491 491

Total (MM Bs.) -299 29

De acuerdo a este estimado, la inversión para cambiar de solvente se

recupera en casi dos años, por lo que él ultimo año se desglosó y su

estimado se encuentra en la Tabla 5.26:

Page 156: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

151

TABLA 5.26

ESTABLECIMIENTO DEL TIEMPO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSÓN INICIAL MENSUAL

PARA EL ÚLTIMO AÑO, AL REALIZAR EL CAMBIO DE AMINA

Caso II Año 2 1 2 3 4 5 6 Inversión Inicial

(MM Bs.) 299 273 247 221 195 168

Gastos Mensuales (MM Bs.) 14.7 14.7 14.7 14.7 14.7 14.7

Ahorro (MM Bs.) 41 41 41 41 41 41

Total (MM Bs.) -273 -247 -221 -195 -168 -142

TABLA 5.26 (CONTINUACIÓN)

ESTABLECIMIENTO DEL TIEMPO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSÓN INICIAL MENSUAL

PARA EL ÚLTIMO AÑO, AL REALIZAR EL CAMBIO DE AMINA

Caso II Año 2 7 8 9 10 11 12 Inversión Inicial

(MM Bs.) 142 116 90 64 38 12

Gastos Mensuales (MM Bs.) 14.7 14.7 14.7 14.7 14.7 14.7

Ahorro (MM Bs.) 41 41 41 41 41 41

Total (MM Bs.) -116 -90 -64 -38 -12 15

Page 157: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

152

Luego de estimar los costos totales al implementar ambas alternativas,

así como el tiempo en que se recupera la inversión, se realizó una matriz de

selección entre ambas tecnologías para el endulzamiento de gas, es decir,

con la implementación del intercambiador al proceso actual (MEA con

inhibidores) y al cambiar la MEA por DGA.

Para la realización de esta matriz se analizó el proceso detalladamente

por medio de las simulaciones, propiedades de los solventes, etc., con el fin

de establecer los criterios técnicos y económicos más importantes que

influyen directamente sobre el proceso. El nivel de importancia se estimó con

el personal de la empresa, para que la matriz se adapte a las necesidades de

la misma.

TABLA 5.27

MATRIZ DE SELECCIÓN

Factores MEA e inhibidores DGA

1. Ensuciamiento en el

sistema. (15%) 10

15

2. Pérdidas de aminas (10%) 15 16

3. Composición de CO2 hacia

metanación. (20%) 13 20

4. Corrosión en tuberías.

(15%) 15 18

5. Regeneración de los

productos de degradación

(10%).

0 10

6. Inversión inicial (10%). 13 17

7. Disponibilidad y costo de

materia prima (10%). 15 10

8. Tiempo de recuperación de

la inversión. (10%) 10 17

TOTAL 11.65 13.95

Page 158: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

153

El ensuciamiento en el sistema es un factor de suma importancia para

los procesos de endulzamiento de gas, esto es debido a que en ellos ocurre la

formación de sales termoestables que por condiciones de operación pueden

precipitar obstruyendo equipos, etc.

Para trabajar a concentraciones de MEA mayores al 20%, se tiene que los

inhibidores son el único sistema adicional que proporciona una protección a

la corrosión en tuberías y equipos, por lo que es indispensable que estén en

funcionamiento. Estos inhibidores son metales pesados que al precipitar

ayudan a la formación de sólidos en el sistema como lo es la capa pasivante.

Esta condición de proceso es trabajar muy cerca del límite, ya que cualquier

perturbación del sistema, se refleja en un descontrol de las variables del

sistema Amine Guard.

Al trabajar con DGA se evita la precipitación de sólidos adicionales a las

sales termoestables, evitando así incrustaciones en tuberías y equipos, que

se reflejan en costos por mantenimiento. Es por esta razón que al cambio de

amina se le asignó mayor puntuación en este factor.

Las pérdidas de amina es un factor que siempre estará presente

indiferentemente del solvente utilizado, ya que estas se producen por

evaporación y arrastre del solvente en las torres. Para la DGA, por ser una

molécula de alto peso molecular, el punto de ebullición de ésta es mayor que

el de la MEA, por lo que se reducen las pérdidas por evaporación, ya que la

solución tendrá que alcanzar temperaturas más altas para evaporarse. Esto

se demuestra al simular ambos circuitos, para la DGA las pérdidas son de

3.1 kgh-1 y para la MEA son de 3.5 kgh-1, obteniéndose una diferencia no

muy significativa, por lo que la puntuación para este factor se estableció con

un mínimo incremento para la opción del cambio de amina.

La composición de gas a la salida de la sección es el factor más

importante dentro de los establecidos en la matriz, ya que este debe cumplir

de acuerdo a los requerimientos de la sección de metanación, para el caso de

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Resultados y Discusiones

154

trabajar con MEA e inhibidores esta composición alcanza por diseño los 500

ppm, y para la DGA de acuerdo al balance realizado en Hysys, a las mismas

condiciones de presión y temperatura, se alcanza una composición de 7

ppm, esto le proporciona un margen de holgura a la variable, ya que si existe

una perturbación en el sistema, esta tendrá un rango de variabilidad mayor

que la composición de CO2 trabajando con MEA, donde puede fluctuar sin

afectar las condiciones de metanación. Esto le proporciona mayor

puntuación a la composición generada al trabajar con DGA.

La corrosión en tuberías y equipos es importante para este tipo de

procesos, ya que de esta depende el funcionamiento adecuado de equipos

dentro del tiempo establecido como vida útil de los mismos. Estos sistemas

contienen CO2 que al estar en presencia de agua forman el ácido carbónico,

principal fuente de corrosión en el sistema, además a medida de que la

solución de MEA aumenta su concentración, la misma se hace más

corrosiva, favoreciendo al deterioro de los materiales. Es por ello que este

sistema tiene inhibidores de corrosión que impiden el ataque del ácido a la

superficie del material, a través de la formación de la capa pasivante.

Por otra parte la solución de DGA es mucho menos corrosiva que la MEA

por lo que su concentración en solución puede variar desde 50% hasta 70 %.

Pero al comparar ambos procesos se tiene que los dos solventes son

corrosivos, la MEA en mayor proporción que la DGA, pero al poseer

inhibidores se resta el poder corrosivo de la primera, por lo que la

puntuación establecida para este criterio, no varía mucho.

El siguiente factor es la regeneración de los productos de degradación,

para el caso de la MEA, estos productos no son regenerados en el purificador

de amina. La amina degradada es una amina perdida que no es capaz de

absorber CO2, además los productos de degradación suelen ser corrosivos

por lo que facilitan el desgaste del material en tuberías y equipos. Para el

caso de la DGA, ésta se degrada en dos productos diferentes, de estos sólo el

BHEEU (bis-hidroxietil-etoxi-urea) es regenerable a las condiciones del

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Resultados y Discusiones

155

purificador F-754, por lo que se recupera parte de la amina disminuyendo

costos por reposición de amina al sistema. Esto trae como consecuencia que

la alternativa de mejorar las condiciones operacionales con el mismo

solvente (MEA) no reciba puntación y que la máxima se establezca para el

cambio de solvente.

La evaluación económica para este sistema se realizó solo considerando

los costos operacionales por reposición de amina, y a partir de los ahorros

generados para la empresa al colocar una u otra alternativa, ya que el CO2

producido se envía a la planta de Urea, careciendo de ingresos brutos. La

inversión inicial de colocar un intercambiador es más costosa que la

necesaria para el cambio del solvente, por otro lado los costos operacionales

son mayores para la MEA con inhibidores, ya que estos deben reponerse de

acuerdo a las condiciones del proceso, a diferencia de trabajar sólo con DGA

que los costos son por reposición de amina.

Por consiguiente el tiempo en recuperar la inversión para la colocación

de intercambiador es mayor que para recuperar la inversión inicial por

cambio del solvente, colocándosele mayor puntuación a la alternativa que

permita recuperar la inversión en un tiempo menor.

De acuerdo a la matriz de selección, la alternativa más viable es el

cambio de amina, ya que obtuvo la mayor puntuación de acuerdo a los

criterios establecidos. Esta matriz evalúa los criterios técnicos y económicos,

pero al incorporar los criterios ambientales, el sistema Amine Guard lleva las

de perder porque trabaja con metales pesados que dificultan el tratamiento

de efluentes en caso de ser necesario enviarlos al mar, además de que estos

metales son perjudiciales para la salud de los operadores que trabajan en

esta área de la planta.

CONCLUSIONES

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Resultados y Discusiones

156

1. La simulación de la etapa de acondicionamiento de gas con datos de

diseño establece que los intercambiadores F-758 A/B por sí solos no

son capaces de alcanzar la temperatura necesaria para la absorción en

la torre C-751, por lo que es indispensable que el gas fluya a través del

F-760, para que éste ajuste la temperatura hasta alcanzar los 70°C.

2. Las etapas teóricas para la torre de absorción de TEA (C-751) fueron

43 y para la torre regeneradora (C-753) de 19 etapas.

3. Las etapas teóricas para la torre de absorción de MEA (C-752) fueron

11 y para la torre regeneradora (C-754) de 23 etapas.

4. Las temperaturas involucradas en el circuito TEA se mantuvieron con

errores por debajo del 10%, exceptuándose la corriente de TEA pobre

de salida de la torre C-753.

5. El máximo error generado la simulación con datos de diseño, en

cuanto a presiones fue de 1.03%.

6. Los errores encontrados para las composiciones y los flujos en las

corrientes más importantes de gas son aceptables dentro de los

esperados para las simulaciones, ya que el máximo error obtenido es

menor a 10%.

7. Las temperaturas para la simulación del circuito de MEA se

encuentran dentro de rango, presentando errores entre 0% y 16%,

exceptuando a la salida del F-752 y a la del condensado del SR-753,

que se reportan valores del 44.8% y 33.7 % respectivamente.

8. El máximo error encontrado para las presiones en el circuito MEA, es

de 7.04% y es el reportado para la corriente de MEA pobre de entrada

al F-756.

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Resultados y Discusiones

157

9. La simulación de la sección de lavado con datos de diseño utilizando el

paquete termodinámico Amine Pkg, arroja resultados confiables al

compararlos con los balances proporcionados por la empresa Glitisch.

10. El flujo de entrada a la sección de lavado es de 3865.17 kgmolh-1 para

base seca y 6957.32 kgmolh-1 para base húmeda.

11. La composición de CO2 a la salida del separador SR-752, es de 6.9%,

con un error de 4% con respecto a los análisis de laboratorio.

12. Las desviaciones para la temperatura del simulador con datos actuales

en el circuito TEA y la reportada en la toma de datos, no excedió el 10%

máximo de error.

13. La desviación máxima de temperatura para el circuito TEA a

condiciones actuales fue de 5.62%.

14. Las desviaciones para las presiones del simulador con datos actuales

en el circuito TEA y la reportada en la toma de datos, no excedió el 10%

máximo de error.

15. La desviación máxima de presión para el circuito TEA con datos

actuales fue de 6.92%

16. El máximo error generado para el reciclo abierto en el circuito de MEA

a condiciones actuales fue de 6%.

17. Las desviaciones máximas de temperatura para el circuito de MEA a

condiciones actuales es del orden del 13% y para las presiones fue de

2.38%

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Resultados y Discusiones

158

18. El simulador se adapta a las condiciones de operación actual de la

sección de lavado, arrojando resultados confiables para ambos circuitos.

19. Los perfiles de temperatura tomados en planta, indican el exceso de

amina presente en el sistema, para ambos circuitos.

20. El circuito TEA no presenta desviaciones significativas entre las

condiciones actuales y las de diseño.

21. La composición de CO2 a la salida del separador SR.-752 es de 7.12%

para las condiciones actuales, cuando por diseño son de 6.9%

22. Las máximas desviaciones de temperatura en el circuito de TEA, entre

las condiciones actuales y las de diseño son del 5%

23. Para las presiones en el circuito TEA, los máximos errores se

encuentran por el orden de los 28% para la presión en la torre

regeneradora.

24. Las máximas desviaciones para el circuito de MEA en cuanto a

temperatura son de 66%.

25. Las altas temperaturas en el circuito de MEA, se deben a la deficiencia

de intercambio en el F-755, debido a la precipitación de los inhibidores

de corrosión del sistema Amine Guard.

26. La falta de instrumentación y los problemas de muestreo de la

solución en el sistema Amine Guard, trae como consecuencia el control

inadecuado de las concentraciones de los inhibidores en el sistema.

27. Los problemas de temperatura y ensuciamiento del circuito de MEA de

la sección de lavado, se pueden corregir por medio de la implementación

de un intercambiador amina-amina, que trabaje en paralelo al F-755,

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Resultados y Discusiones

159

sirviendo de reemplazo, para poder limpiar el que estuvo en servicio, y a

través del cambio de solvente existente por otro con mayor capacidad de

absorción (Diglicolamina).

28. La frecuencia de mantenimiento por lavado químico del nuevo

intercambiador será una vez al año de acuerdo a la tendencia de

disminución del diferencial de temperatura para los años anteriores.

29. Los costos asociados a la inversión inicial de la colocación del

intercambiador son mayores que los calculados para el reemplazo de

amina.

30. Los cosos por reposición de amina al trabajar con DGA son menores a

los encontrados al trabajar con MEA e inhibidores.

31. La colocación de este intercambiador permitirá reducir las pérdidas de

amina por evaporación y arrastre debido a las altas temperaturas en las

torres de la sección.

32. El cambio de amina solucionará la causa raíz del problema, que es el

ensuciamiento del intercambiador F-755

33. Las pérdidas de amina al trabajar con DGA son menores a las

encontradas al trabajar con MEA e inhibidores, debido al alto peso

molecular de la DGA.

34. La implementación de la colocación del intercambiador en paralelo, le

permite a la empresa ahorrar 487 MMBs. anuales aproximadamente, y

la realización del cambio de amina le ahorra 491 MM Bs. anuales.

35. El tiempo para recuperar la inversión inicial de la colocación de un

intercambiador es dos años y once mese, en cambio para el reemplazo

de amina es de un año y siete meses.

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Resultados y Discusiones

160

36. La alternativa más viable según la matriz de decisión es el cambio del

solvente existente por DGA.

RECOMENDACIONES

1. Revisar el diagrama de instrumentación y tuberías por las distintas

corrientes del sistema, con el fin de colocar la debida instrumentación

que garantice el control de las variables y facilite la rápida evaluación

de toda sección de lavado de CO2.

2. Revisar la calibración de los instrumentos existentes en la sección, con

el fin de obtener datos precisos de las variables involucradas en el

proceso.

3. Continuar el desarrollo de las ramas del árbol de fallas que no

pudieron ser validadas (Causas humanas), con el fin de encontrar la

causa latente del problema.

4. Revisar la propuesta del cambio de amina, con el fin de establecer con

mayor profundidad la ingeniería de detalle del sistema, para evitar

problemas operacionales en la sección.

5. Contactar al personal de Pequiven El tablazo para establecer los

posibles problemas operacionales fortuitos, que se pueden presentar al

trabajar la sección de lavado con DGA, ya que ellos ya realizaron el

cambio de amina propuesto en este trabajo.

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Resultados y Discusiones

161

6. Adquirir herramientas de simulación que permitan al ingeniero de

procesos evaluar de manera rápida y precisa la sección de lavado de

CO2 de manera más periódica.

7. Evaluar con mayor profundidad el funcionamiento de las bombas en el

sistema, en cuanto a la cavitación en las mismas.

8. Traducir y actualizar el procedimiento de dosificación y muestreo de

químicos del sistema Amine Guard, de no implementar las alternativas

propuestas en este trabajo, con el fin de facilitar el muestreo y control

adecuado de la sección.

BIBLIOGRAFÍA

1. Acid Gas Removal Systems. (En línea). Disponible en:

http://www.wittemann.com/agr.html

2. Aminas. Disponible en: http://es.geocities.com/quimicorganica

3. Anderson, Richard R.; Strazisar, Brian R. ; White, Curt M. Degradation

of Monoethanolamine Used in Carbon Dioxide Capture from Flue Gas of a

Coal-fired Electric Power Generating Station. 2000. Pittsburgh

4. Carbon Dioxide: Applications and uses. (En línea). Disponible en:

http://www.uigi.com/carbondioxide.html

5. Da Silva, Eirik; Svendsen, Hallvard. The chemistry of CO2 absorption

in amine solution studied by computational Chemistry. Norwegian

University of Science and technology.

6. DYNASONICS. Portable Doppler Ultrasonic flow meter. Operations and

Maintenance Manual. Series 902/903. March 2000.

Page 167: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

162

7. Forzanti, L. (1992). Análisis y resolución de problemas en la industria.

Universidad de Carabobo. Venezuela.

8. Gas Sweetening with Alcanolaminas (En línea). Disponible en

http://www.lurgi.com

9. Glitisch Incorporated. Description of operations No. 4 for section 750

(165a) CO2 removal of the 600MT/D Ammonia plant. Instituto Venezolano

de Petroquímica. Dallas USA. 1997.

10. Haws, Randy. CCR Technologies Inc. Contaminants in amine Gas

Treating. 2003

11. Huntsman Corporation. Tecnologías de tratamientos con aminas.

Entrenamiento técnico. 2005

12. Huntsman Corporation. Unidades de tratamiento de gas.

Entrenamiento en sistemas de aminas.2005

13. Hydrocarbon Processing. Reduce amine plant solvent losses. Part 1 &

2. Abril 1994.

14. Hydrocarbon Processing. Amine plant troubleshooting and

optimization. Abril 1995.

15. Hysys Tutorial v.3.1. Steady State Model & Simulation Basis.

16. Jouraleva, Daria. ECO-TECH. Impact of Continuous Removal of Heat

Stable Salts on Amine Plant Operation. 2001

Page 168: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

163

17. Jaureguiberry S., Tomás. “Estudio comparativo de procesos de

recuperación de CO2 por absorción con aminas”. Universidad politécnica de

Cataluña. España. Febrero de 2005.

18. Maddox, Robert N. Gas Conditioning and Processing. Volumen 4. Gas

and liquid Sweetening. Campbell Petroleum Series September 1985 third

Edition.

19. Murlidahr, G. CO2 Capture Technologies and Opportunities in Canada.

Alberta, Canada: 2003.

20. Operaciones de transferencia de Masa. Robert E. Treybal. Segunda

edición. Mc Graw Hill. Traducción: Amelia García Rodríguez. México 1988.

21. Perry, Robert H. Manual del Ingeniero Químico. Tomo V. Sexta edición.

Mc Graw Hill. 1992.

22. PDVSA. Manual de Diseño de Procesos. Principios Básicos de

Intercambiadores de Calor.1995

23. PEQUIVEN. Manual de instrucciones de trabajo. Planta de Amoníaco.

Instalación 180A. Sección II.

24. Refining Details Notebook. Amine gas treating 2. Abril 1998

25. Treybal, Robert E. Operaciones de transferencia de masa. Mc Graw

Hill. Segunda Edición. 2001

26. UOP. Manual de operación del sistema Amine Guard. 1985

27. Van Wylen, Gordon. Fundamentos de termodinámica. Editorial

Limusa. México. 1977

Page 169: 23001CB6(1).pdf

Resultados y Discusiones

164

28. Walpole, Myers. Probabilidad y Estadística. Tercera Edición. Mc Graw

Hill. Traducción: Gerardo Maldonado Vásquez. 1992.