bases de diseño y descripción del proceso

República Bolivariana de Venezuela.

Ministerio del Poder Popular para la Defensa.

Universidad Nacional Experimental Politécnica de la

Fuerza

Armada Nacional Bolivariana.

Núcleo Falcón – Extensión Punto Fijo.

Ingeniería Petroquímica: 8° Semestre Sección “A”.

Área: Diseño de Equipos y Plantas.

PROYECTO ISOMERIZACIÓN

I AVANCE

Prof.: Ing. Mairín Delgado. Integrantes:

Gómez Jesús

López Xavier

Mata Anyellys

Morales Misdelys

Naranjo Manuel

Rodríguez Wilmer

Punto Fijo; Septiembre de 2015

INDICE

Contenido Pág.

BASES DE DISEÑO………………………………………………………………..3

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO………………………………………………….

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA………………………………………..

REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES………………………..

DIAGRAMA DE FLUJO……………………………………………………….

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BASES DE DISEÑO

1. Presenta Objetivo completo y bien definido; Alcance y breve descripción del Proceso.

Objetivo: Esta unidad tiene como objetivo procesar una corriente de normal

butano y transformar la molécula en isobutano, para luego enviar la corriente

a las plantas de Alquilación.

Alcance: Obtener una corriente de isobutano con una pureza de 50-60% y

enviarla a la Planta de Alquilación para obtener una gasolina de mayor

octanaje. Los productos se separan en un fraccionador. Los gases más

ligeros se utilizan como combustible de refinería y el butano reciclados como

alimento.

Breve descripción del Proceso: La alimentación de normal butano está

compuesta por varias corrientes que son debidamente tratadas en las

diferentes unidades, para eliminarle gran parte de contaminantes tales como

H2S, compuestos sulfurosos, fluoruro y trazas de HF. Este proceso de

isomerización de butano es licencia de UOP (Universal Oil Products) y

consiste en la conversión de parafinas normales (normal butano) a

isoparafinas (isobutano). Este proceso se lleva a cabo bajo un estricto control

de temperaturas y presión de reacción, relación de hidrógeno/hidrocarburos.

El proceso se subdivide en las siguientes secciones:

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a) Secado de Butano: Se despojan de agua las corrientes de butano que

entran al proceso de manera que contengan un máximo de 1ppm en peso,

ya que el agua desactiva permanentemente el catalizador.

b) Secado de Hidrógeno: Al igual que en la sección anterior, se garantiza

que el hidrógeno esté libre de agua, además que se introduce hidrógeno

fresco para reponer la pérdida que se obtenga en las reacciones químicas.

c) Reacción: A esta sección se envía el butano seco por medio de bombas a

los reactores. La carga se mezcla con la corriente de gas de reciclo que

consiste básicamente en hidrógeno, con el fin de mantener la presión parcial

de hidrógeno. En presencia del catalizador se lleva a cabo la reacción de

isomerización del normal butano a isobutano. El producto es enviado al

separador, donde ocurre la separación física de la corriente líquida y la

corriente vapor.

d) Torre Estabilizadora: En ésta entra la corriente líquida de isobutano-

normalbutano (isomerizado) proveniente del separador de productos con el

fin de remover el hidrógeno, ácido clorhídrico y gases formados por craqueo,

además de una corriente de pentano.

e) Torre Lavadora de Gases: Los gases del acumulador de la torre

estabilizadora se envían a la torre lavadora de gases, donde entran en

contacto con una solución de soda cáustica o hidróxido de sodio (NaOH) al

10% en peso, para neutralizar el ácido clorhídrico (HCl) presente en dicha

corriente de gases (C1/C2).

2. Capacidad de la Planta.La planta de Isomerización se encuentra en la capacidad de operar 20

MBD de una corriente de normal butano, a fin de obtener un producto de

12.3 KBD de isobutano.

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3. Están Descritas las Instalaciones Existentes.La alimentación de normal butano a la Planta de Isomerización

consiste de tres corrientes provenientes de diferentes fuentes:

La más pequeña de estas corrientes proviene de la torre

Desbutanizadora DA-404 ubicada en la Unidad de Alquilación I, la cual es

tratada en una Torre de Alúmina y luego en una Torre de KOH para

removerle los fluoruros y posibles trazas de HF, antes de enviarla a la Planta

de Isomerización.

La segunda corriente de normal butano proviene de los campos de

producción y es traída por barco, generalmente desde el terminal de

distribución de Puerto Miranda. Este normal butano es almacenado en los

tanques esféricos DO-13;17 y 18/EO-3;5 y 6 ubicados en los Bloques DO/EO

y es enviado a la Unidad de Isomerización por medio de las bombas P-5201

A/B.

Por último, la mayor parte de la carga, consiste en el normal butano

proveniente de la Planta Alquilación II. Esta corriente se separa de los otros

productos de la reacción de alquilación en el Despojador de isobutano C-

5103, pasando posteriormente por unas Torres con alúmina y luego por una

Torre de KOH sólido, para remover trazas de ácido fluorhídrico, antes de ser

enviada a la Unidad de Isomerización.

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4. Las condiciones de operación y diseño de todas las corrientes en los límites de batería, tanto de Procesos como de Servicios.

- Límites de Batería de Procesos:

Corrientes de Entrada:

a) Normal Butano:

Condiciones de Operación:

Propiedad ValorTemperatura 100 °F

Presión 120 PsigFase Líquida

Densidad 35,4 lb/ft3

Viscosidad 0,151 cp

b) Hidrógeno:Condiciones de Diseño:


Presión 950 Psig

Corrientes de Salida:

a) Isobutano

Condiciones de Operación:


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Densidad 34,3 lb/ft3

Viscosidad 0,190 cp

b) Pentano

Condiciones de Operación



Densidad 38 lb/ft3

Viscosidad 0,194 cp

- Límites de Batería de Servicios:

Corrientes de Entrada

a) Vapor de alta, Media y/o baja presión.Condiciones de Operación

Propiedad HS MS LSTemperatura 750 °F 460 °F 308 °F

Presión 600 Psig 145 Psig 60 Psig

Condiciones de Diseño

Propiedad HS MS LSTemperatura 800 °F 480 °F 480 °F

Presión 650 Psig 170 Psig 90 Psig

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b) Agua de Enfriamiento.Condiciones de Operación


Presión 40 Psig



Presión 70 sig

c) Aire de Instrumento.Condiciones de Operación


Presión 70 Psig



Presión 150 Psig

d) Aire de Enfriamiento.

e) Electricidad.

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f) Sistema de Agua Potable.

5. Especificadas las composiciones de las corrientes de entrada y salidas en el límite de batería.

- Corrientes de Entrada:Proceso:

a) Normal Butano:

Propano: 1% Isobutano: 15% Butano: 83% Isopentano: 1%

Servicios:

b) H2.

Composición %MolHidrógeno 94

Nitrógeno 0,11

Monóxido de Carbono (ppm vol.) <10

Dióxido de Carbono (ppm vol.) <10

Metano 4,62

H2O 0,45

Peso Molecular 2,97

c) C2Cl4.

d) NaOH.

e) Vapor de alta y/o baja presión.

f) Agua de Enfriamiento.

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g) Aire de Enfriamiento.

h) Electricidad.

i) Sistema de Agua Potable.

- Corrientes de Salida:Proceso:

a) Isobutano

b) C1/C2

c) Pentano

Servicios:

d) Vapor.

e) Agua de Enfriamiento.

f) Aire de Enfriamiento.

6. Definido el tipo, capacidad y filosofía de almacenamiento. Consideraciones de operación sobre el proceso.

Entrada: En la planta de isomerización se tiene como alimentación n-butano

a un porcentaje de concentración de 83%. Este se encuentra en fase liquida

y a unas condiciones de presión y temperaturas ideales, de tal forma que es

recomendable utilizar tanques esféricos a presión por lo que de acuerdo a

normas API, que considera el diseño del almacenamiento a presión como lo

hace el Código ASME (American Society of Mechanical Engineers) sección

VIII.

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Salida: En el caso del producto isobutano, pentano e isopentano, según el

Código ASME (American Society of Mechanical Engineers) sección VIII, es

recomendable utilizar tanques esféricos a presión para su almacenamiento

debido a que por ser LGP existe una relación gas-liquido, es decir, que este

al ser sometido en su fase gaseosa a altas presiones se convierte en líquido,

pues el comportamiento de las partículas del gas dentro de la esfera es

limitado. Para este producto también se puede utilizar tanques cilindros

horizontales.

Adicionales:

• Hidrogeno (H2)

Se requiere de Hidrogeno puro por lo tanto se hace conexión con la

planta de Hidrogeno hacia la planta de isomerización por medio del

compresor hacia un recipiente de alta presión o un tanque cilíndrico

horizontal, certificándolo ASME (American Society of Mechanical Engineers)

como diseño recomendado, y luego hacia la línea donde se desea alimentar

en la planta de isomerización.

• Soda cáustica (NaOH)

Se selecciona el acero inoxidable AISI (American Iron and Steel

Institute) 304 y 316 para construcción de los tanques de hidróxido de sodio,

esto en base a que los materiales son altamente corrosivos. Se distingue en

vista que los tanques construidos con este tipo de material requieren menos

acciones de mantenimiento a diferencia de los tanques de acero al carbono

con algún tipo de recubrimiento o plásticos.

• Percloroetileno (C2Cl4)

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El percloroetileno tiene una particularidad de reaccionar con el zinc y

metales activos (bario, litio y berilio) y con agentes oxidantes (ozono), pero

esto se da si estos metales están finamente divididos. También reacciona

bajo la acción de la luz y la radiación ultravioleta por lo que es recomendable

almacenarlo en un tanque cilíndrico ubicado horizontalmente compuesto de

material fierro o hierro galvanizado. Sin embargo, el percloroetileno tiende a

evaporarse en el aire produciendo un olor parecido a éter, pero luego de un

corto periodo de tiempo el olor pasa desapercibido, por lo que en estos casos

es recomendable utilizar tanques de atmósferas inertizadas.

• Vapor

La caldera produce el vapor cuando es requerido por los consumos.

Esto sin embargo necesita unos minutos para alcanzar las condiciones de

funcionamiento y suministrar la cantidad requerida de vapor; además, puede

haber variaciones repentinas en la demanda de vapor, con demandas

inmediatas que exceden la producción máxima de la caldera. Es aquí donde

es recomendable instalar un acumulador de vapor conteniendo el agua de

vapor y sobrecalentada en el equilibrio termodinámico. Este está certificado

por la CE CERTIFICATION ACCORDING TO DIRECTIVE 97/23/EC.

• Catalizador de platino a base de alúmina

Su almacenamiento estará compuesto por silos, lo cuales son torres

con forma cilíndricas, cónicas, verticales. Esto debido a que el catalizador

puede estar en forma de polvo o granulado, haciendo más fácil su descenso

y extracción para su uso. Estas torres pueden estar hechas de material de

fierro planchado o corrugado y galvanizado.

7. Corrosión máxima permitida en los equipos.

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La corrosión puede provocar una pérdida uniforme o puede causar

una apariencia de picaduras, por lo cual es necesario determinar la corrosión

máxima permisible, para de esta manera tomar las medidas correctivas

necesarias y garantizar la integridad mecánica de los equipos. De acuerdo a

la geometría de los equipos ver las siguiente formulas. La vida remanente de

un componente puede ser determinada basada en el cálculo del mínimo

espesor requerido para las condiciones de servicios previstas, las lecturas de

la inspección, y la estimación de la tasa de corrosión. La vida restante del

componente es un parámetro importante para determinar en qué momento

deberán hacerse las siguientes inspecciones y para determinar durante qué

tiempo estimado el electo puede estar bajo las condiciones de servicio sin

representar algún riesgo para la segura operación del sistema.

De tal forma que la tasa de vida remanente de un componente o

elemento se puede calcular mediante la siguiente formula.

Dónde:TVR = Tiempo de vida remanente (años)

Crate = Tasa de corrosión (mm / años o m.p.y), calculada mediante la

siguiente fórmula.

Tmm = Mínimo espesor de pared leído al momento de la inspección. En

(pulg) o (mm)

tinicial = Espesor original (diseño) del elemento en pulgadas (in) o milímetros

(mm), en caso de no tener usar el espesor nominal de la tubería.

T = Tiempo (años) entre el tinicial y el tmm

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TVR (años )=0 .8∗tmm−( tinicial−tmm )

C rate

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

La alimentación de normal butano está compuesta por varias

corrientes que son debidamente tratadas en las diferentes unidades, para

eliminarle gran parte de contaminantes, tales como H2S, compuestos

sulfurosos, fluoruro y trazas de HF. Este proceso de isomerización de butano

es licencia de UOP (Universal Oil Products) y consiste en la conversión de

parafinas normales (normal butano) a isoparafinas (isobutano). Este proceso

se lleva a cabo bajo un estricto control de temperaturas y presión de

reacción, relación de hidrógeno/hidrocarburos.

Para una mejor comprensión de la plata de isomerización, se

describen los flujos de procesos en forma detallada incluyendo los equipos,

los principales lazos de control y destaca algunas condiciones de operación

importante. Se ha subdividido en las siguientes secciones.

- Sección de secado de butano.

- Sección de secado de hidrógeno.

- Sección de reacción.

- Sección de la torre estabilizadora.

- Sección de la torre lavadora de gases.

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TasaCorrosión=tinicial−tmm

T

Sección de Secado de Butano: Las corrientes de normal butano

provenientes de las diferentes plantas y tanques se combinan antes de

entrar a los secadores de la carga 01-D-01 y 01-D-02. El objetivo de los

secadores es garantizar que la alimentación tenga un contenido máximo de

agua de 1 ppm en peso, ya que el agua desactiva permanentemente el

catalizador. La corriente de butano entra por el fondo del primer secador y

fluye a través del lecho de tamices moleculares en sentido ascendente para

salir por el tope. Luego, esta corriente es enviada al fondo del segundo

secador para salir por el tope hacia el tanque acumulador de la carga 01-D-

03.

Los secadores operan los dos en serie, excepto cuando uno de ellos

está siendo regenerado y sólo un secador estará en servicio. La

regeneración se lleva a cabo cuando el contenido de agua a la salida del

secador es mayor a 1 ppm en peso. Como medio regenerante de los

secadores se usa el producto isobutano-normalbutano de la misma planta,

luego de haber sido calentado y vaporizado a 288 °C para regenerar, o

enfriado a 38 °C para la etapa de enfriamiento de la regeneración.

Sección de Secado de Hidrógeno: En vista de que una pequeña

fracción de hidrógeno sale disuelta en la corriente de isobutano-

normalbutano del fondo del separador de productos, es necesario introducir

hidrógeno fresco para reponer esta pérdida, además del hidrógeno que se

pueda consumir en reacciones químicas.

Los secadores de hidrógeno fresco al igual que los secadores de

butano, normalmente operan en serie, excepto cuando se está regenerando

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uno de ellos y sólo está uno en servicio. El objeto de estos secadores es

garantizar que el hidrógeno que ingresa a la unidad está libre de agua.

La corriente de hidrógeno fresco tratada en los secadores se mezcla

con el gas de reciclo antes de combinarse con la carga de butano a la

entrada del intercambiador frío de carga.

Sección de Reacción: Una vez seco el butano, se almacena en el

tanque acumulador de carga, desde donde es enviado bajo control de flujo

hacia la sección de reacción, por medio de las bombas de carga 01-P-01-A/B

a los reactores.

Luego la carga se mezcla con la corriente de gas de reciclo que

consiste básicamente de hidrógeno, con el fin de mantener la presión parcial

del hidrógeno, inmediatamente se le inyecta hidrógeno fresco con la finalidad

de reponer las pérdidas producto de las reacciones. Luego pasa a través del

intercambiador frío de carga 01-E-01, donde se caliente con el efluente del

segundo reactor, a la salida de este punto se inyecta, percloroetileno (C2Cl4)

para obtener una dosis de 100 ppm basada en la carga. El C2Cl4 es

almacenado en un tanque bajo atmósfera de nitrógeno.

Posteriormente, la carga combinada con el gas de reciclo, pasa a

través del intercambiador caliente de carga 01-E-02, donde se calienta con el

efluente del primer reactor. Luego, el aumento final de temperatura da la

carga, se logra controlándola en el calentador de carga al reactor 01-E-03,

donde, el vapor le proporciona el calor requerido para la reacción. Desde

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este último calentador, la carga combinada con el gas de reciclo entra por el

tope del reactor 01-R-01 donde, en presencia del catalizador se lleva a cabo

la reacción de isomerización del normal butano a isobutano. La corriente sale

por el fondo del primer reactor y se dirige al intercambiador de carga caliente

01-E-02, para ceder calor a la carga. Un instrumento de control de

temperatura regula e flujo por el desvío del lado tubos (efluentes de reactor)

del intercambiador de carga caliente para ajustar independientemente la

temperatura de entrada al segundo reactor.

A la salida de este intercambiador, la corriente pasa a través del

segundo reactor 01-R-02 en sentido descendente, para luego entrar al

intercambiador de carga fría 01-E-01 donde se enfría al ceder calor a la

carga.

Desde este intercambiador, el efluente pasa por los condensadores

del producto de los reactores 01-E-04 y 01-E-05, los cuales trabajan con aire

y agua, luego se dirige al separador de producto 01-D-04, donde ocurre la

separación física de la corriente líquida y de la corriente de gas. El gas que

sale al tope, básicamente hidrógeno, se envía a la succión del compresor de

gas de reciclo 01-K-01, para constituirse en el gas de reciclo. Los gases a la

descarga del compresor se combinan con la carga de butano, antes de entrar

a la sección de precalentamiento de los reactores, como ya se mencionó

anteriormente. La corriente de líquido que sale por el fondo del separador de

producto consiste principalmente en una mezcla de isobutano y normal

butano, acompañados de gases de hidrocarburos, hidrógeno y ácido

clorhídrico disueltos en el líquido. Esta corriente se envía bajo control de

nivel a la torre estabilizadora para remover los gases disueltos.

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Sección de la Torre Estabilizadora: El líquido del separador de

producto fluye bajo control de nivel hacia el intercambiador de carga-fondo

de la estabilizadora 01-E-06, donde se precalienta antes de entrar a la torre

estabilizadora 01-C-01. La corriente de isobutano-normalbutano, llamada

“isomerizado”, entra al plato 16 de la torre, con el objeto de remover el

hidrógeno, ácido clorhídrico y los gases formados por craqueo: metano,

etano y propano. El calor requerido para la separación lo suministra el

rehervidor 01-E-07, el cual utiliza vapor.

Por el tope de la estabilizadora salen los vapores que son

condensados y recogidos en el acumulador de tope 01-D-05, el líquido es

devuelto a la estabilizadora como reflujo y los gases a la torre lavadora. El

producto de fondo de la estabilizadora es enviado a la desisobutanizadora

01-C-03 para separar e isobutano por la parte superior, el butano como un

corte lateral y por el fondo pentano (C5+).

Sección de la Torre Lavadora de Gases: Los gases del acumulador

de la torre estabilizadora se envían a la torre lavadora de gases 01-C-02,

donde entran en contacto con una solución de soda cáustica o hidróxido de

sodio (NaOH) al 10% en peso, para neutralizar el ácido clorhídirco (HCl)

presente en dicha corriente de gases (C1/C2).

Los gases entran por el distribuidor del fondo de la torre, burbujean a

través del nivel de soda cáustica y luego pasan a través de un lecho de

anillos, ubicado en la sección superior de la torre. Los gases neutralizados

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salen por el tope de la torre y se envían al sistema de gas combustible, bajo

control de presión. La circulación de soda se realiza con la bomba 01-P-06,

la cual succiona del fondo de la torre y descarga mediante un distribuidor,

ubicado en el lecho de anillos. Cuando la concentración de la soda cáustica

se reduce a 3% en peso, se debe drenar parte de la soda e introducir soda

fresca desde las facilidades existentes.

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA

BALANCE DE MASA Y ENERGÍAPropiedad Alimentación Productos

N-Butano C1-C2 C3 IC4 NC4 C5+

Flujo 20 MBD 12,3 KBDComposición 1% C3; 15% IC4; 83% NC4; 1% C5+Temperatura 100 °F 105 °F 105 °F

Presión 120 Psig 376 Psig 159 PsigFase Líquida Líquida Líquida

Densidad 35,4 lb/ft3 34,3 lb/ft3 38 lb/ft3

Viscosidad 0,151 cp 0,19 cp 0,194 cp

REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES

a) Sistema de Vapor de baja y alta presión.

b) Agua de enfriamiento.

c) Aire de enfriamiento.

d) Sistema de aire de instrumento.

e) Sistema de caldera.

f) Electricidad.

g) Sistema de agua potable.

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bases de diseño y descripción del proceso

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