UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE ......Cantidades de sal del crudo antes y después del...

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DISEÑO DE SISTEMA PARA ACONDICIONAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

Y SU REUTILIZACIÓN EN LA CIMA DEL DOMO DE TORRE EN LA

PLANTA TOPPING DEL BLOQUE 16

TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROPUESTA TECNOLÓGICA

PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA

AUTOR: ANA BELÉN BARAHONA DE LA TORRE

TUTOR: ING. CHRISTIAN PATRICIO GUTIÉRREZ ALVARADO M. Sc.

QUITO

2016

iii

©DERECHOS DE AUTOR

Yo, ANA BELÈN BARAHONA DE LA TORRE, en calidad de autora del trabajo de

titulación, modalidad propuesta tecnológica sobre: DISEÑO DE SISTEMA PARA

ACONDICIONAMIENTO DE AGUA RESIDUAL Y SU REUTILIZACIÓN EN LA

CIMA DEL DOMO DE TORRE EN LA PLANTA TOPPING DEL BLOQUE 16,

autorizo a la Universidad Central del Ecuador hacer uso de todos los contenidos que me

pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o

de investigación.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente

autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los

artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su

Reglamento.

Asimismo autorizó a la Universidad Central del Ecuador para que realice la digitalización

y publicación de este trabajo de investigación en el repositorio virtual, de conformidad a

lo dispuesto en el Art, 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.

En la ciudad de Quito, a los 30 días del mes Agosto de 2016

_________________________

Barahona De la Torre Ana Belén

CC: 1724479496

[email protected]

mailto:[email protected]

iv

APROBACIÓN DEL TUTOR

Yo, CHRISTIAN PATRICIO GUTIÉRREZ ALVARADO en calidad de tutor del trabajo

de titulación, modalidad propuesta tecnológica sobre: “DISEÑO DE SISTEMA PARA

ACONDICIONAMIENTO DE AGUA RESIDUAL Y SU REUTILIZACIÓN EN LA

CIMA DEL DOMO DE TORRE EN LA PLANTA TOPPING DEL BLOQUE 16”,

elaborado por el estudiante ANA BELÉN BARAHONA DE LA TORRE de la carrera de

Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del

Ecuador, considero que el mismo reúne los requisitos y méritos necesarios en el ámbito

metodológico y el campo epistemológico, para ser sometido a la evaluación por parte del

jurado examinador que se designe, por lo que lo APRUEBO, a fin de que el trabajo de

titulación sea habilitado para continuar con el proceso de titulación determinado por la

Universidad Central del Ecuador.

En la ciudad de Quito, a los 30 días del mes Agosto de 2016

_______________________

Ing. Christian Patricio Gutiérrez Alvarado M. Sc

Tutor

CC: 1715955280

v

A Dios por iluminarme

cada día y darme

fuerzas para culminar

con todos los objetivos

propuestos.

A mis Padres por

brindarme un apoyo

incondicional y por ser

mi mayor ejemplo de

vida.

A mis Hermanos por

ser mis mejores amigos

y hacer que mis días

estén llenos de amor,

bondad y alegría.

vi

AGRADECIMIENTOS

Se expresan los agradecimientos a:

A la gloriosa Universidad Central del Ecuador, a la Facultad de Ingeniería Química y

sus profesores.

Repsol Ecuador, por la colaboración brindada a través de la autorización de la ejecución

del trabajo de titulación en el Bloque 16.

Al ingeniero Christian Gutiérrez, por el apoyo brindado durante el periodo de

elaboración del trabajo de titulación.

A los ingenieros Nelson Troncoso, Carlos Jiménez y a todo el equipo de tratamiento

químico y Planta Topping por todo el apoyo dado durante mi estadía en el Bloque 16.

A mi familia por todo el esfuerzo, sacrificio y la confianza brindada cada día.

A todas las personas que con sus buenos deseos ayudaron a que este sueño se haga

realidad.

vii

CONTENIDO

pág.

LISTA DE TABLAS ....................................................................................................... xi

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... xiii

LISTA DE GRÀFICOS ................................................................................................... iv

LISTA DE ANEXOS ..................................................................................................... xv

GLOSARIO ................................................................................................................... xvi

RESUMEN ................................................................................................................... xvii

ABSTRACT ................................................................................................................ xviii

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1

1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 3

1.1 Unidad productora de diésel ...................................................................................... 3

1.2 Corrosión en unidades de destilación atmosférica. ................................................... 4

1.2.1 Ácido clorhídrico .................................................................................................... 4

1.2.2 Sales inorgánicas .................................................................................................... 5

1.2.3 Sales de amina ........................................................................................................ 6

1.2.4 Oxígeno disuelto en agua ....................................................................................... 6

1.3 Clasificación de la corrosión. .................................................................................... 6

1.3.1 Corrosión por grietas o fisuras................................................................................ 6

1.3.2 Corrosión por picadura (pitting). ............................................................................ 7

1.3.3 Corrosión bajo tensión. ........................................................................................... 7

1.3.4 Corrosión galvánica. ............................................................................................... 7

1.4 Métodos para combatir la corrosión. ......................................................................... 7

1.4.1 Inhibidores de corrosión ......................................................................................... 7

viii

1.4.2 Evaluación de inhibidores de corrosión.................................................................. 9

1.5 Criterios de diseño de tuberías y bombas. ................................................................. 9

1.5.1 Diámetro de la conducción. .................................................................................. 10

1.5.2 Cálculo de la pérdida de carga .............................................................................. 10

1.5.3 Altura total de aspiración. ..................................................................................... 10

1.5.4 Altura total de impulsión. ..................................................................................... 10

1.5.5 Carga neta positiva de aspiración. ........................................................................ 11

1.6 Corrosión de acero al carbón por presencia de cloruros. ......................................... 11

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ...................................................................... 13

2.1 Descripción del proceso........................................................................................... 13

2.1.1 Identificación de la entrada de crudo .................................................................... 13

2.1.2 Identificación de las corrientes de agua involucradas. ......................................... 14

2.1.3 Identificación de las corrientes operativas............................................................ 14

2.2 Balance de masa de agua del sistema actual. ........................................................... 16

2.2.1 Balance de masa en la torre de destilación (T1) ................................................... 16

2.2.2 Balance de masa en el aeroenfriador (E2). ........................................................... 18

2.2.3 Balance de masa en el acumulador de reflujo (V2). ............................................. 18

2.3 Análisis químico experimental. ............................................................................... 19

2.3.1 pH ......................................................................................................................... 20

2.3.2 Alcalinidad............................................................................................................ 21

2.3.3 Dureza total........................................................................................................... 22

2.3.4 Hierro .................................................................................................................... 23

2.3.5 Cloruros. ............................................................................................................... 23

2.3.6 Sulfatos. ................................................................................................................ 24

2.4 Identificación de parámetros requeridos para el análisis ......................................... 25

2.4.1 Determinación de pH ............................................................................................ 26

2.4.2 Determinación de alcalinidad ............................................................................... 26

2.4.3 Determinación de dureza total .............................................................................. 27

2.4.4 Determinación de hierro ....................................................................................... 28

2.4.5 Determinación de cloruros.................................................................................... 28

2.4.6 Determinación de sulfatos .................................................................................... 29

2.5 Determinación de la variable crítica ........................................................................ 30

viii

2.5.1 Medición de pH en diluciones .............................................................................. 31

2.5.2 Medición de alcalinidad en diluciones ................................................................. 32

2.5.3 Medición de dureza total en diluciones. ............................................................... 33

2.5.4 Medición de hierro en diluciones ......................................................................... 34

2.5.5 Medición de cloruros en diluciones. ..................................................................... 35

2.5.6 Medición de sulfatos en diluciones ...................................................................... 36

2.6 Análisis del ciclo de vida del material en función de la variable crítica ................. 37

3. ESCENARIOS DE PROCESOS DE SIMULACIÓN............................................... 40

3.1 Escenario actual de salida del agua de desecho ....................................................... 40

3.1.1 Corriente de cima de la torre (vapor).................................................................... 40

3.1.2 Corriente de agua de utilidades ............................................................................ 41

3.1.3 Corriente de agua de desecho ............................................................................... 41

3.2 Recirculación de agua de desecho con acondicionamiento ..................................... 42

3.3 Recirculación de agua de desecho sin acondicionamiento ...................................... 43

3.4 Diluciones experimentales del agua de desecho...................................................... 45

3.5 Análisis técnico - ambiental de los escenarios de recirculación .............................. 46

3.5.1 Recirculación del agua de desecho con acondicionamiento ................................. 46

3.5.2 Recirculación del agua de desecho sin acondicionamiento .................................. 48

4. DISEÑO DE LA IMPLEMENTACIÓN ................................................................... 52

4.1. Dimensionamiento de la tubería ............................................................................. 52

4.1.1 Cálculo del peso específico del fluido .................................................................. 53

4.1.2 Cálculo de la velocidad de flujo ........................................................................... 54

4.1.3 Cálculo de pérdidas por fricción en la tubería ...................................................... 56

4.1.4 Cálculo de pérdidas por fricción en accesorios .................................................... 58

4.1.5 Cálculo de la caída de presión .............................................................................. 59

4.2 Dimensionamiento de la bomba .............................................................................. 60

4.2.1 Cálculo de la presión ............................................................................................ 60

4.2.2 Cálculo de la caída de presión total ...................................................................... 61

4.2.3 Cálculo de la altura ............................................................................................... 61

4.2.4 Cálculo de la diferencia de altura ......................................................................... 61

viii

4.2.5 Cálculo de la aspiración neta positiva (NPSHd) ................................................. 62

4.2.6. Cálculo de la potencia hidráulica de la bomba .................................................... 62

4.2.7. Cálculo de la potencia requerida de la bomba ..................................................... 62

4.3. Costo de inversión para la implementación del sistema de recirculación .............. 63

5. DISCUSIÓN ............................................................................................................... 64

6. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 66

7. RECOMENDACIONES ............................................................................................ 68

CITAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................... 69

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 71

ANEXOS ........................................................................................................................ 73

xi

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Reacciones de hidrólisis para formación de ácido clorhídrico .......................... 5

Tabla 2. Cantidades de sal del crudo proveniente de ambas localidades ........................ 5

Tabla 3. Cantidades de sal del crudo antes y después del desalado ................................ 6

Tabla 4. Contenido de oxígeno disuelto en el agua de utilidades .................................... 6

Tabla 5. Características del inhibidor de corrosión de la planta de destilación ............... 8

Tabla 6. Características del neutralizante de la planta de destilación. ............................ 9

Tabla 7. Valores máximos permitidos de pH ................................................................ 26

Tabla 8. Valores obtenidos de pH ................................................................................. 26

Tabla 9. Valores máximos permitidos de alcalinidad .................................................... 27

Tabla 10. Valores obtenidos de alcalinidad ................................................................... 27

Tabla 11. Valores máximos permitidos de dureza total ................................................ 27

Tabla 12. Valores obtenidos de dureza total .................................................................. 27

Tabla 13. Valores máximos permitidos de hierro .......................................................... 28

Tabla 14. Valores obtenidos de hierro ........................................................................... 28

Tabla 15. Valores máximos permitidos de cloruros ...................................................... 29

Tabla 16. Valores obtenidos de cloruros ....................................................................... 29

Tabla 17. Valores máximos permitidos de sulfatos ....................................................... 30

Tabla 18. Valores obtenidos de sulfatos ........................................................................ 30

Tabla 19. Valores obtenidos de muestras puras y diluidas de pH ................................. 32

Tabla 20. Valores obtenidos de muestras puras y diluidas de alcalinidad .................... 33

Tabla 21. Valores obtenidos de muestras puras y diluidas de dureza total ................... 33

Tabla 22. Valores obtenidos de muestras puras y diluidas de hierro ............................ 34

Tabla 23. Valores obtenidos de muestras puras y diluidas de cloruros ......................... 35

Tabla 24. Valores obtenidos de muestras puras y diluidas de sulfatos .......................... 36

Tabla 25. Condiciones operativas para la corriente de cima de la torre ........................ 40

Tabla 26. Composición molar de la corriente de cima de la torre ................................. 41

xii

Tabla 27. Condiciones operativas para la corriente de agua de utilidades .................... 41

Tabla 28. Composición molar de la corriente de agua de utilidades ............................. 41

Tabla 29. Condiciones operativas para la corriente de agua de desecho ....................... 41

Tabla 30. Composición molar de la corriente de agua de desecho ................................ 41

Tabla 31. Caudales de recirculación y saturación de sales con desmineralizador ........ 43

Tabla 32. Caudales de recirculación y saturación de sales sin desmineralizador .......... 44

Tabla 33. Resultados de diluciones experimentales y obtenidas en la simulación ........ 46

Tabla 34. Propiedades fisicoquímicas del agua a 75°C ................................................. 53

Tabla 35. Factor de sobrediseño para diferentes servicios ............................................ 54

Tabla 36. Diámetro de tubería en la succión y descarga del acero al carbón ................ 55

Tabla 37. Rugosidad absoluta del acero al carbón ........................................................ 56

Tabla 38. Coeficientes de pérdida por accesorios en la succión ................................... 58

Tabla 39. Coeficientes de pérdida por accesorios en la descarga .................................. 59

Tabla 40. Costos de inversión para la implementación del sistema de recirculación ... 63

xiii

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Esquema de un inhibidor de corrosión fílmico ................................................ 8

Figura 2. Velocidades recomendadas para fluidos en tuberías ...................................... 10

Figura 3. Corrosión por picadura en el acero al carbono ............................................... 11

Figura 4. Planta de destilación atmosférica Bloque 16 – Repsol Ecuador .................... 13

Figura 5. Reacción de formación de sal de amina ......................................................... 15

Figura 6. Balance general de masa del agua en el proceso ............................................ 16

Figura 7. Balance de masa del agua en la torre de destilación atmosférica (T1) .......... 18

Figura 8. Balance de masa del agua en el aeroenfriador (E2) ....................................... 18

Figura 9. Balance de masa del agua en el acumulador de reflujo (V2) ......................... 19

Figura 10. Corrientes de entrada y salida del agua y subproductos en el proceso ........ 29

Figura 11. Simulación de la operación actual en la planta ............................................ 42

Figura 12. Simulación de recirculación del agua de desecho con acondicionamiento .. 42

Figura 13. Simulación de recirculación del agua de desecho sin acondicionamiento ... 44

Figura 14. Identificación de puntos referenciales del diseño de recirculación .............. 52

xiv

LISTA DE GRÁFICOS

pág.

Gráfico 1. Interpretaciòn de valores de pH para muestras puras y diluidas en el tiempo el

tiempo ............................................................................................................................. 32

Gráfico 2. Interpretación de valores de alcalinidad para muestras puras y diluidas en el l

en el tiempo .................................................................................................................... 33

Gráfico 3. Interpretación de valores de dureza total para muestras puras y diluidas en el

en el tiempo .................................................................................................................... 34

Gráfico 4. Interpretación de valores de hierro para muestras puras y diluidas en el tiempo

tiempo ............................................................................................................................. 35

Gráfico 5. Interpretación de valores de cloruros para muestras puras y diluidas en el en

en el tiempo .................................................................................................................... 36

Gráfico 6. Interpretación de valores de sulfatos para muestras puras y diluidas en el en

en el tiempo .................................................................................................................... 37

Gráfico 7. Velocidad de corrosión del acero al carbón en función de la concen-tración de

tración de cloruros .......................................................................................................... 38

Gráfico 8. Saturación de sales de cloruro del agua de desecho en función del caudal de

caudal de recirculación (con desmineralizador) ............................................................. 48

Gráfico 9. Saturación de sales de cloruro del agua de desecho en función del caudal de

caudal de recirculación (sin desmineralizador) .............................................................. 49

xv

LISTA DE ANEXOS

pág.

ANEXO A. Certificado de cumplimiento y finalización del Trababajo de Titulación

Titulación en Repsol Ecuador - Bloque 16 ..................................................................... 74

ANEXO B. Diagrama de la planta de destilación atmosférica Bloque 16-Repsol ........ 75

ANEXO C. Datos experimentales obtenidos de los ensayos realizados a las muestras de

muestras de agua ............................................................................................................. 76

ANEXO D. Materiales utilizados para la medición de parámetros fisicoquímicos a micos

a muestras de agua puras y diluidas................................................................................ 82

ANEXO E. Límites máximos permisibles para cuerpos de agua dulce ........................ 85

ANEXO F. Data disponible de parámetros medidos en el agua de desecho y velocidad

velocidad de corrosión a través del tiempo .................................................................... 86

ANEXO G. Carta de rugosidad relativa de materiales de tubería y factores de fricción de

fricción para la turbulencia completa ............................................................................. 88

ANEXO H. Carta de factores de fricción ...................................................................... 89

xvi

GLOSARIO

ACUMULADOR DE REFLUJO: separador trifásico que almacena nafta, agua y gases,

que luego son recirculados o depositados en equipos dependiendo la necesidad del

sistema.

AEROENFRIADOR: intercambiador de calor que usa aire como fluido de servicio para

disipar el calor.

AGUA DE DESECHO: agua cuya calidad se vio afectada negativamente por influencia

de los procesos industriales.

AGUA DULCE: agua obtenida de ríos, lagunas, etc., que tiene una baja concentración

de sales y sólidos disueltos.

°API: siglas en inglés de Instituto Americano de Petróleo, medida de densidad que, en

comparación con el agua a temperaturas iguales, precisa cuán pesado o liviano es el

petróleo.

BPD: siglas en inglés de Barriles por Día, unidad de medida de volumen.

BSW: siglas en inglés de Agua y Sedimentos del fondo, contenido de agua e impurezas

en el crudo.

DEW POINT: denominado punto de rocío, temperatura a la que empieza a condensarse

el vapor de agua contenido en el aire produciendo rocío o neblina.

GPD: siglas en inglés de Galones por Día, unidad de medida de volumen.

MPY: siglas en inglés de Milésima de Pulgada por Año, unidad de medida de la velocidad

de corrosión.

PPM: siglas en inglés de Partes por Millón, unidad de medida de la concentración.

PTB: siglas en inglés de Libras por Mil Barriles, unidad de medida del contenido de sal

en el crudo.

xvii

DISEÑO DE SISTEMA PARA ACONDICIONAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

Y SU REUTILIZACIÓN EN LA CIMA DEL DOMO DE TORRE EN LA

PLANTA TOPPING DEL BLOQUE 16

RESUMEN

Para el ahorro del consumo de agua dulce, que se usa en el lavado de la cima de la torre

de destilación atmosférica en el Bloque 16 de Repsol, se diseñó un sistema de

acondicionamiento y recirculación del agua residual proveniente del acumulador de

reflujo. Mediante ensayos fisicoquímicos del agua residual, se determinó que la misma

es apta para su recirculación. Con el simulador Aspen HYSYS V8.6, se plantearon dos

escenarios para el acondicionamiento del agua, uno que incorpora un equipo

desmineralizador y otro que comprende solo la recirculación del agua residual. Con los

datos experimentales disponibles en Repsol, se elaboró la curva de corrosión del acero al

carbono en función de la concentración de sales de cloruro, lo que permite predecir el

tiempo de vida útil de la tubería. Para el diseño del sistema propuesto se determinaron las

especificaciones técnicas requeridas de bombas, tuberías y accesorios, además se

modificó el proceso actual de lavado aplicando la segunda alternativa con la sustitución

de 100 BPD del agua residual, volumen que corresponde al ahorro de agua dulce. Con el

sistema propuesto se logró mantener la concentración de las sales de cloruro y la

velocidad de corrosión dentro de los límites establecidos.

PALABRAS CLAVES: / DISEÑO / RECIRCULACION DEL AGUA /

AGUAS RESIDUALES / LAVADO / TORRE DE DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA

/REPSOL /

xviii

WASTEWATER TREATMENT SYSTEM DESING FOR WATER

RECIRCULATION TO THE TOP OF THE DOME OF THE BLOCK 16’S

TOPPING PLANT TOWER

ABSTRACT

A conditioning and recirculation system of waste water from the reflux accumulator was

designed in order to save the consumption of fresh water that is used to wash the top of

the atmospheric distillation tower of Repsol Oilfield block 16. It was determined by

physical-chemical tests that wastewater is suitable for recirculation. Two scenarios for

water conditioning were set on Aspen HYSYS V8.6 simulator. The first scenario

incorporated a demineralizer equipment and the second one considered a normal process

of wastewater recirculation. Experimental data provided by Repsol was taken into

account in order to generate a steel corrosion curve as a function of chloride salts

concentration in the process, which may allow to predict the service life of the pipe. All

required specifications such as pumps, pipelines and fittings were determined for the

design of the proposed system, also the actual washing process was modified applying

the second alternative of using 100 BPD of wastewater. This volume corresponds to what

is expected for fresh water saving. The proposed system achieved the chloride salts

concentration and corrosion speed within parameters established.

KEY WORDS: / DESING / WATER RECIRCULATION / WASTEWATER /

ATMOSPHERIC DESTILATION TOWER / WASHING / REPSOL

1

INTRODUCCIÓN

La principal causa de corrosión en el domo de la unidad de destilación de crudo se da por

la presencia de ácido clorhídrico, formado por la hidrólisis de ciertas sales de cloruro

inorgánicos, cuando la carga del crudo de alimentación es calentada antes de la

destilación. El desalado del crudo es importante para disminuir el contenido de sales; y

de esta manera se pueda controlar la corrosión en la cima de la unidad de destilación

El petróleo contiene impurezas como: cloruros de sodio, magnesio y calcio, sales que se

hidrolizan en el transcurso del proceso de destilación, formando ácido clorhídrico que

corroe el tope de la torre, platos, haz de tubos del aeroenfriador, accesorios y sistemas de

tuberías; si ésta cambia su estado de vapor a líquido.

A pesar de que el crudo pasa por el proceso de desalado, algunos cloruros no hidrolizados

son insolubles en agua, por lo tanto no extraídos, acarreando impurezas hacia la cima de

la unidad de destilación y provocando problemas de corrosión en las líneas y equipos, por

lo que es fundamental que el crudo cuente con tratamientos, que garanticen la obtención

de un producto con un mínimo de impurezas.

En la unidad de destilación atmosférica ubicada en el área de Facilidades de Producción

del Norte (NPF) del Bloque 16, se han construido instalaciones sofisticadas para el

procesamiento de crudo, que permiten un adecuado manejo técnico de las distintas

actividades ya que, por localizarse dentro de un área protegida, requieren de cuidados

especiales y de la utilización de técnicas que permitan integrar tanto las necesidades de

los ecuatorianos y la conservación de la Amazonía.

El complejo procesamiento de petróleo implica una gran demanda energética, la cual es

cubierta por diferentes tecnologías, una de estas requiere de diésel, por lo cual se cuenta

con una torre productora del combustible.

Actualmente, para evitar problemas de corrosión en todo el sistema de cima involucrado,

2

se inyecta una determinada cantidad de agua dulce denominada agua de utilidades, esto

conlleva a que una gran cantidad de este recurso vital sea enviado al drenaje cerrado y

reinyectado en los pozos productores del bloque.

El agua de lavado que se inyecta en el sistema de cima de la torre de destilación tiene las

siguientes funciones:

Limpiar contaminantes formadores de sales antes que tengan la oportunidad de

reaccionar, como es el caso del cloruro de amina proveniente de la descomposición

química del neutralizante controlador de la corrosión.

Lavar las sales depositadas en las tuberías para evitar la formación de corrosión por

picaduras.

Elevar el pH del ácido clorhídrico disuelto en el agua, controlando que la temperatura de

la cima de torre se mantenga por encima del punto de roció del agua para evitar su

condensación y de esta manera evitar la producción de una corrosión severa, ya que la

presencia de ácido clorhídrico en el agua, al pasar de estado gaseoso a líquido, es dañino

para el acero al carbón.

Repsol Ecuador, una empresa comprometida con los recursos ambientales, requiere

diseñar procesos en donde se ahorre el consumo de agua proveniente del Río Bogi,

localizado en la reserva ecológica Yasuní de la región Amazónica, para evitar la

contaminación innecesaria y la acumulación de efluentes de desecho, sin embargo

requiere que el sistema propuesto no afecte las condiciones operativas actuales.

El agua que sale del acumulador de reflujo es enviado al drenaje cerrado para su posterior

reprocesamiento en la planta de Facilidades de Producción del Norte y su disposición

final en los pozos re-inyectores. Este efluente no cumple con ninguna función dentro de

la planta, por lo que se genera una descarga de agua con buena calidad, que podría ser

aprovechada dentro del proceso.

3

1. MARCO TEÓRICO

1.1 Unidad productora de diésel

Ubicada en el área de Facilidades de Producción del Norte (NPF) del Bloque 16, la planta

de destilación produce alrededor de 1800 BPD de diésel con 38°API, 5200 BPD de

residuo con 9°API que abandona la planta y es retornada a los tanques de

almacenamiento, al igual que la nafta obtenida en el tope de la torre de destilación

atmosférica. [1]

La alimentación de crudo a la unidad de destilación es de 7200 BPD aproximadamente

con 14,4°API que proviene de los tanques de almacenamiento T-1108 A/B. Ingresa al

tren de intercambio de calor E-1 A/B/C/D/E/F por el lado tubos y es precalentado con la

corriente de residuo que abandona la unidad, continua su transporte hacia el desalador V1

donde se produce la deshidratación y desalinización del crudo siendo indispensable la

inyección de agua dulce previamente calentada para el lavado de las sales y arrastre de

gotas de agua aumentando la eficiencia de la desalación.

Aguas abajo se inyecta sosa cáustica para liberar la cantidad de ácido clorhídrico formado

en el precalentamiento dando cloruro de sodio térmicamente estable. El crudo desalado

debe contener un BSW máximo de 1%, el cual continúa recuperando calor en el

intercambiador de calor E1 G/H y ser enviando al horno. [2]

El crudo que sale del horno está parcialmente vaporizado, produce destilados y residuos

al ingresar por el plato número once de la torre de destilación T1, donde un gradiente de

temperatura controlado a través de catorce platos ordena los hidrocarburos en fracciones

de temperatura de ebullición/condensación similares, donde los más pesados van hacia

abajo intercambiando masa y calor por íntimo contacto con las fracciones más livianas,

el residuo se colecta en el fondo de la torre por donde es necesaria la inyección de vapor

de agua para permitir el despojamiento de las “coletas volátiles” que todavía pudieran

haber

4

haber quedado. El residuo se une con la corriente de tope (nafta) de la torre y por una

línea común se dirigen a almacenaje en los tanques.

El diésel deja la columna por los platos 3,4 o 5 como corte lateral dependiendo de las

condiciones que mantenga el producto en especificación, pasa a través de los anillos

Norton Hypack de la columna del despojador de diésel V-3 y se almacena en los tanques

TK-1 A/B/C hasta su nivel máximo permitido del 75-78% o 400-430 barriles. [3]

Por la cabeza de la torre salen los vapores de nafta y agua a una temperatura entre 241 a

245°F para luego ser condensados en el aeroenfriador E2 A/B, a la salida de la cabeza se

da la inyección de neutralizante e inhibidor de corrosión apenas salen los vapores para

evitar problemas corrosivos por debajo de la torre. Se da también la inyección de agua

dulce para el lavado de sales, la cantidad máxima permitida de inyección de agua es del

5% del flujo de tope de cima que este saliendo que corresponde a 250 BPD, el cual fue

determinado por un proceso termodinámico en la empresa.

Tanto los vapores de nafta como de agua se condensan en el aeroenfriador y se depositan

en el acumulador de reflujo V2 donde el gas se separa por la parte superior y es utilizado

como gas combustible en el horno. La nafta líquida recolectada retorna hacia la torre con

el fin de mantener la temperatura de tope requerida y cumplir con las especificaciones de

reflujo correspondientes al diseño de la torre. Al agua de salida del acumulador se le

realizan análisis químicos para determinar la calidad del tratamiento que se está dando en

el domo y se analiza el agua condensada que será enviada al drenaje cerrado. [4] El proceso

de obtención de diésel se puede observar en el Anexo B.

1.2 Corrosión en unidades de destilación atmosférica

La corrosión es la destrucción de un material por la reacción química o electroquímica

con su medio ambiente. La presencia de compuestos que forman parte del crudo o

resultado de reacciones químicas afectan de manera importante en la corrosión de

sistemas de cima de la unidad de destilación atmosférica.

1.2.1 Ácido clorhídrico. Aceite crudo de petróleo contiene cantidades variables de sales

5

de cloruro (cloruro de sodio [NaCl], cloruro de magnesio [MgCl2], y cloruro de calcio

[CaCl2]), y estas sales generalmente representan la mayor parte de la formación de cloruro

de hidrógeno (HCl) y la corrosión[5] en unidades de destilación atmosféricas.

La formación de ácido clorhídrico se da por la hidrólisis de sales de calcio y magnesio en

su mayoría a diferencia del cloruro de sodio, ya que son más sensibles a condiciones de

temperatura habituales en un sistema de destilación atmosférica como es el caso de los

intercambiadores de calor y horno que trabajan a altas temperaturas.

Tabla 1. Reacciones de hidrólisis para formación de ácido clorhídrico [5]

Reacción Temperatura

aproximada de

inicio, C (F)

Grado de hidrólisis

aproximado a 340C

(650F)

MgCl2 + 2H2O → Mg(OH)2 + 2HCl 120 (248) 90%

CaCl2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2HCl 210 (410) 10%

NaCl + H2O → NaOH + HCl > 500 (> 930) 2%

El ácido clorhídrico a temperaturas por encima del punto de rocío no causa problemas de

corrosión, a temperaturas menores o igual este se disuelve con facilidad en el agua dando

un ácido clorhídrico corrosivo. El ácido a temperaturas mayores al punto de rocío acuoso

puede reaccionar con otras especies dando lugar a sales corrosivas.

1.2.2 Sales inorgánicas. El contenido de sal del crudo que entra a la unidad de destilación

es importante en la evaluación del desempeño de la desalación, ya que las sales de cloruro

dirigen su camino hacia el sistema de cima de la torre de destilación.

Un aumento en el contenido de sal del crudo proporciona mayor cantidad de sal en la

corriente del crudo desalado, es importante darle un tratamiento previo de eliminación de

sales en los tanques de deshidratación antes que ingrese a la unidad de destilación

atmosférica y se presenten problemas corrosivos. [6]

6

Tabla 2. Cantidad de sal en el crudo proveniente de ambas localidades [7]

Crudo SPF NPF

PTB 26 44

7

Tabla 3. Cantidades de sal del crudo antes y después del desalado [7]

Crudo previo Desalado (PTB) Crudo Desalado (PTB)

35 – 40 13- 8

1.2.3 Sales de amina. El ácido clorhídrico formado se combina con amina proveniente

de la descomposición química del neutralizante para formar sales de cloruro de amina.

Esta sal se pueden formar por encima del punto de rocío acuoso, y puede convertirse en

muy corrosivo cuando la humedad suficiente está presente. [8]

El producto resultante de la neutralización es la sal de amina que provoca problemas de

corrosión por picadura debido a sus depósitos en el metal.

1.2.4 Oxígeno disuelto en agua. El oxígeno disuelto en agua, incluso en concentraciones

pequeñas, a menudo aumenta drásticamente la corrosión de acero al carbono, el cual se

utiliza en los sistemas de cima de la torre de destilación. [8]

La solubilidad del oxígeno depende de la presión, temperatura y concentración de

cloruros, a mayor temperatura y concentración de sales de cloruro menor solubilidad del

oxígeno en agua. El agua dulce que alimenta al desalador y cima de torre, tiene una

concentración representativa de oxígeno disuelto, y puede causar incremento en la

corrosión en los procesos continuos.

Tabla 4. Contenido de oxígeno disuelto en el agua de utilidades [9]

O2 disuelto.

(ppm)

7

1.3 Clasificación de la corrosión

Para la clasificación de la corrosión en los metales se consideran varios criterios como: la

apariencia de forma de ataque y por el tipo de flujo transportado.

8

1.3.1 Corrosión por grietas o fisuras. Este tipo de corrosión es localizada, consideradala

disolución del metal Fe en contacto con una solución salina mediante la reducción de

iones de oxígeno.

𝐹𝑒 → 𝐹𝑒2+ + 2𝑒−

𝑂2 + 2𝐻2𝑂 + 4𝑒− → 4 𝑂𝐻−

1.3.2. Corrosión por picadura (pitting). Se desarrolla en presencia de aniones agresivos

y cloro, entre otros. Se presenta en pequeñas áreas localizadas en la superficie metálica

formando cavidades que avanzan con rapidez, por lo que la velocidad de corrosión en la

zona afectada suele ser alta.

𝐹𝑒2+ + 2𝐻2𝑂 → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)+ + 𝐻+ + 𝐻2𝑂 → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)2 + 2𝐻

+

1.3.3. Corrosión bajo tensión. Se forma fracturas ramificadas por presencia de esfuerzos

exteriores por ejemplo esfuerzos de tracción, deformaciones, soldaduras.

1.3.4. Corrosión galvánica. Se presenta por la diferencia de potenciales eléctricos entre

dos metales en contacto con un conductor eléctrico y una solución conductora, de manera

en que el flujo de corriente corroe el metal con menor potencial eléctrico. [10]

1.4 Métodos para combatir la corrosión

Algunos problemas de corrosión en la cima de la torre de destilación atmosférica se

pueden dar por la presencia de sal de cloruro, la condensación del fluido por intercambio

de calor en las paredes de la tubería y formación de ácido.

1.4.1 Inhibidores de corrosión. Los inhibidores de corrosión son compuestos químicos

que se incorporan, en bajas concentraciones, al ambiente en que se encuentran las piezas

metálicas a proteger. [11]

El control químico de la corrosión en la planta se realiza mediante fisicoquímicos como:

pH, contenido de hierro y cloruros en el agua de salida del acumulador de reflujo.

1

2

3

1

9

Inhibidores fílmicos. Sustancia químicas que al agregarse en pequeñas concentracio-

nes a un medio agresivo, reduce significativamente la velocidad de corrosión de un

material expuesto a tal medio. Una gran variedad de compuestos orgánicos e

inorgánicos han sido utilizados para controlar la corrosión en diferentes medios

agresivos. [12]

Los compuestos orgánicos están constituidos por cadenas de aminas, las cuales por su

naturaleza química permiten la formación de una película que recubre a la superficie

metálica protegiéndola de agentes oxidantes.

Figura 1. Esquema de un inhibidor de corrosión fílmico [13]

Los inhibidores tienen un buen desempeño en ambientes neutros, si el flujo es ácido o

alcalino es necesario la adición de un neutralizante, la cantidad de inyección es importante

para controlar el contacto con el medio corrosivo y así poder disminuirla.

En el sistema de cima de torre se utiliza una mezcla comprendida entre hidrocarburos

aromáticos, metanol e isopropanol respectivamente en distintas proporciones como

químico inhibidor de corrosión. Las características se detallan en la tabla 5.

Tabla 5. Características del inhibidor de corrosión de la planta de destilación [14]

PRODUCTO BPD GPD PPM OBSERVACION

Inhibidor de Corrosión

PROTERQUIM-219

7200 4 6,3 Puro

El inhibidor es soluble en hidrocarburo y no en agua, por lo que no intervienen en el

análisis del presente trabajo de grado, ya que este se enfoca en reutilizar agua del sistema

proveniente del acumulador de reflujo (agua de desecho).

9

Neutralizantes. Al ser compuestos químicos que tienen pH alto, disminuyen las con-

centraciones de iones presentes en el ácido clorhídrico debido a la neutralización y

reduciendo la velocidad de corrosión.

En el sistema de cima de la torre de destilación se utiliza metoxipropilamina (MOPA)

como neutralizante, el pH es de 11,5. Las características se detallan en la tabla 6.

Tabla 6. Características del neutralizante de la planta de destilación [14]

PRODUCTO BPD GPD PPM OBSERVACION

Neutralizante PROTERQUIM-

1879

7200 4 5,8 Puro

1.4.2 Evaluación de inhibidores de corrosión. El método más común es el análisis de

pérdida de peso de cupones debido a que no necesita de equipos sofisticados, la medición

es directa y es aplicable a todo ambiente corrosivo.[15] Estos métodos como medio de

evaluación y respaldo de otros métodos de monitoreo de corrosión.

Cupones de corrosión: Son placas metálicas que se colocan en el interior de las

tuberías, equipos, etc. para ser retirados y evaluados después de un determinado tiempo

de exposición en un fluido. [15] La desventaja se da cuando la exposición del cupón es

prolongada, en donde no se evidencia con precisión la velocidad de corrosión.

Probetas de resistencia eléctrica: Considerados cupones electrónicos, la diferencia

es que la medición de la pérdida de peso en el cupón se la puede realizar en cualquier

momento, mientras la probeta se encuentre in.situ, a la frecuencia que sea requerida y

expuesto permanentemente a las condiciones del proceso. [15] A la pérdida de metal en

el tiempo se le denomina velocidad de corrosión.

1.5 Criterios para diseño de tuberías y bombas

Para llevar a cabo el diseño de tuberías que compone el proceso se dividirá en tramos,

cada uno estará formado por la de línea comprendida entre dos equipos consecutivos. De

10

esta forma los aspectos a calcular (diámetro de la conducción, pérdidas de carga, etc.) se

evaluarán independientemente para cada uno de estos tramos.

1.5.1 Diámetro de la conducción. Es importante para el diseño de un sistema de tuberías

la velocidad que alcanza el fluido por el interior, para fluidos incompresibles viene

determinada por el caudal y el diámetro de la sección interna de la conducción y para cada

fluido tiene un valor máximo que no debe ser sobrepasado. Las velocidades pequeñas son

comunes cuando el flujo cae por gravedad desde tanques elevados. [16]

Figura 2. Velocidades recomendadas para fluidos en tuberías [17]

1.5.2 Cálculo de la pérdida de carga. El rozamiento del fluido con las paredes de la

tubería provoca una caída de presión, también dependerá del diámetro elegido para la

conducción ya que si es muy pequeño la pérdida de carga que se produzca será elevada.

Para el cálculo de las pérdidas se utilizan varios parámetros de cálculo:

Número de Reynolds, Rugosidad Absoluta, Rugosidad Relativa, Factor de Fanning,

Pérdida de carga por fricción, Pérdida por fricción en accesorios, Etc.

1.5.3 Altura total de aspiración. Representa la presión de entrada de la bomba. Suma

de la altura estática de aspiración (distancia de la superficie libre del líquido al eje de la

bomba), presión existente sobre el líquido y pérdidas de carga por rozamiento de la tubería

de aspiración.

La zona de aspiración es la comprendida entre el tanque o reserva desde donde se

bombeará el líquido y la bomba. Por su parte, el tramo situado a la salida de la bomba es

lo que se conoce como línea o zona de impulsión.

1.5.4 Altura total de impulsión. Suma de la altura estática de impulsión, pérdida de

carga en la impulsión y presión sobre el líquido en el punto de recepción. La diferencia

11

entre las alturas totales de impulsión y de aspiración es la carga de la bomba, es decir, la

energía que ha de ser conferida al fluido.

1.5.5 Carga neta positiva de aspiración. Se representa por las siglas NPSH (“Net

Positive Suction Head"). La NPSH requerida depende del diseño de la bomba y representa

la energía necesaria para vencer las pérdidas por rozamientos y aumento de velocidad

desde la aspiración hasta el punto donde se incrementa la energía. La NPSH disponible

es la diferencia entre la presión a la entrada de la bomba y la tensión de vapor del fluido

a la temperatura de funcionamiento, medidas en metros de columna de líquido. [18]

Para cuantificar los conceptos mencionados se aplicará la ecuación de Bernoulli a las

diferentes secciones que formarán parte del diseño del proceso, las ecuaciones para el

cálculo de cada uno de los parámetros requeridos se encuentran citados en el capítulo 4.

1.6 Corrosión de acero al carbón por presencia de cloruros

La presencia de cloruros va ligado directamente con la presencia de oxígeno para la

acción corrosiva en el metal que constituye el sistema del domo de la torre. Durante el

proceso inicial de la corrosión, se produce un aumento en la concentración de la zona

anódica en iones Cl- conducidos por la corriente, así como la aparición de iones H+ por la

disociación del ácido clorhídrico, obteniendo una importante concentración de iones H+

y Cl-.

Figura 3. Corrosión por picadura en el acero al carbono

12

El aumento del contenido de cloruros, aumenta la probabilidad de que se formen una

infinidad de ánodos que provoquen una corrosión generalizada o por picadura. La

presencia de cloruros, oxígeno, ácido clorhídrico y otros compuestos en la solución que

fluye en la tubería provoca la corrosión en el acero al carbón, se produce una reacción

anódica en el metal liberando hierro y electrones, el hierro divalente en presencia de agua

forma iones de hidróxido e hidrógeno. [19]

La reacción catódica se produce por la presencia de oxígeno, agua y electrones liberados

dando como resultado iones de hidróxido, la presencia de distintos iones provoca un

sinnúmero de reacciones formando una celda de corrosión masiva que provoca el hoyo o

picadura en el metal, resultando de esto la formación de óxido ferroso y cloruro de hierro

como resultado de la corrosión. [20]

13

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

2.1 Descripción del proceso

Para llevar a cabo el desarrollo del presente trabajo, se realizó un breve estudio del

proceso de destilación: transporte del crudo dentro de la planta, condiciones operativas,

localización y desempeño de los equipos involucrados en la producción de diésel y

específicamente en el sistema de condensación de la torre de destilación. La importancia

del estudio es identificar a los equipos requeridos para disminuir el consumo de agua de

utilidades en la cima de la torre de destilación, ya sea diseñando un nuevo sistema de

tratamiento de agua o modificando el proceso actual.

En la figura 4 se puede observar el diagrama de flujo del proceso actual que cumple la

planta para la obtención de diésel como producto principal.

Figura 4. Planta de destilación atmosférica Bloque 16 – Repsol Ecuador.

2.1.1 Identificación de la entrada de crudo. Ingresa a la planta de destilación 7200

BPD de crudo con un porcentaje de BSW del 0,2., un contenido de sal entre 35 a 40 PTB.

Durante el proceso de calentamiento en los intercambiadores no presenta cambios en su

composición hasta su ingreso al desalador.

14

En este equipo se inyecta agua de utilidades para el lavado de las sales, obteniéndose a la

salida del equipo una carga de crudo de 7200 BPD con un porcentaje de BSW del 0,8 y

un contenido de sal entre 13 a 8 PTB. El aumento en el porcentaje de BSW se debe a la

inyección del agua en el desalador.

2.1.2 Identificación de las corrientes de agua involucradas. El vapor de agua que fluye

con el crudo a través de los equipos llega a la torre de destilación y se mezcla con el vapor

de agua que se inyecta tanto en el fondo de la torre como en el despojador, creando una

nueva corriente de vapor de agua que sale por la cabeza como un producto de la

destilación, siendo la primera corriente de agua involucrada en el estudio del proyecto

para el posterior balance de masa.

En la línea de cima que conecta a la torre con el aeroenfriador, se inyecta una cantidad

específica de agua de utilidades. Esta corriente de agua, constituye el objetivo principal

de estudio, enfocándose en eliminarla o disminuir al máximo posible, con el propósito de

ahorrar el consumo de agua dulce en la planta y minimizar la cantidad de agua de desecho

que va hacia el drenaje cerrado. Es la segunda corriente de agua involucrada.

Ambos flujos de agua se mezclan y pasan por el proceso de condensación, para luego ser

depositado en el separador trifásico, siendo la tercera corriente de agua en estudio. Por

último la cuarta corriente de agua es la que cumple con su disposición final en el

acumulador de desechos del bloque.

De esta manera, se estableció la línea base del consumo de agua dulce en las condiciones

actuales de la planta, como se observa en la figura 10.

2.1.3 Identificación de las condiciones operativas. Para determinar las limitaciones de

modificación del proceso actual es indispensable conocer las condiciones operativas,

tanto de las líneas como de los equipos involucrados, de esta manera las nuevas

condiciones impuestas para alterar el sistema deberán ser adaptadas de tal manera que no

afecte el proceso ya existente. Las condiciones operativas de importancia son la presión,

temperatura y caudal.

15

Presión: La línea de salida del domo de la torre trabaja a una presión máxima de 0,8

barg (12 psig), la condición de presión en la tubería que conecte el agua proveniente

del nuevo diseño con la línea de cima de la torre, debe vencer esta presión para que

pueda darse la inyección de agua recirculada. Los condensados se depositan en el

separador trifásico que trabaja a una presión de 0,4 barg (6 psig), este valor es

importante ya que sería la condición inicial del nuevo proceso a diseñar. La disposición

del agua hacia el drenaje cerrado se da por presión hidrostática, desde el separador

trifásico que se encuentra a tres metros (3 m) sobre el suelo.

Temperatura: El agua de utilidades que se inyecta en la cima de la torre varía desde

los 25 a 32 °C (77 a 90 °F) dependiendo de las condiciones climáticas de la zona y de

su conservación en el tanque. La corriente de cima de la torre tiene una temperatura de

118°C (244 °F), condición controlada por operadores de la planta. Se debe mantener

esta temperatura ya que una pequeña variación podría ocasionar desestabilización de

la amina neutralizante [(metoxipropilamina, Teb=116°C (241 °F)], a mayor

temperatura se forma sal de amina soluble en agua, en presencia de ácido clorhídrico

y causaría corrosión por picadura. La corriente pasa por el aeroenfriador y se produce

la condensación, sale del equipo a 75°C (167°F), temperatura registrada en el cuarto

de control, y es el punto inicial de estudio para la implementación del nuevo diseño.

Figura 5. Reacción de formación de la sal de amina

Caudal de agua: La cantidad inyectada de agua de utilidades en la cima de la torre es

de 250 BPD valor determinado por simulaciones realizadas en la empresa, por lo que

se recomienda que este flujo no sea modificado ya que se afectaría el equilibrio

líquido-vapor de la torre, el agua mantiene el parámetro de corrosión dentro del rango

establecido, por debajo de 3 mpy, valor determinado por la Empresa Repsol. La

inyección del vapor en el fondo de la torre es un proceso constante necesario para el

despojo de las coletas volátiles existentes, se inyecta 576 lb/h de vapor de baja presión.

Además se recircula vapor de agua inyectado en el despojador de diésel y es depositado

16

de igual manera en la torre con el objetivo de recuperar los cortes livianos que salen

del equipo, el vapor de agua proveniente de este proceso es de 120 lb/h.

2.2 Balance de masa de agua del sistema actual

El cálculo se realizó con base a las operaciones unitarias que involucran el proceso para

la recirculación del agua de desecho hacia la cima de torre de destilación como agua de

lavado. En la figura 6, se representa las etapas del balance general de masa para

determinar la salida de agua de desecho que actualmente se deposita en el drenaje cerrado.

Se considera que toda la masa de agua que entra es igual a toda la cantidad de agua que

sale en cada una de las etapas.

Figura 6. Balance general de masa del agua en el proceso

2.2.1 Balance de masa en la torre de destilación (T1). Se determina la cantidad de

crudo y agua que entra a la torre de destilación y que posteriormente cumplirá con la

separación de los subproductos como diésel, nafta y agua.

M1 = Entrada de agua que contiene el crudo desalado a la torre con 0,2% de BSW.

M2 = Entrada de vapor de agua proveniente de calderos

M3 = Entrada de vapor de agua proveniente del rectificador de diésel.

M4 = Entrada de agua de lavado a la línea de cima de la torre, agua de utilidades.

M5 = Salida de vapor de agua por la cima de la torre.

17

Balance General

𝐌𝟏 + 𝐌𝟐 + 𝐌𝟑 + 𝐌𝟒 = 𝐌𝟓 (1)

𝐌𝟏 = 7200 𝐵𝑃𝐷(𝐵𝑆𝑊 0,2%) ∗ 0,008

𝝆𝟎,𝟎𝟖 𝐌𝐏𝐚𝟏𝟏𝟖°𝐂 = 649,50 𝑘𝑔/𝑚3

𝐌𝟏 = 57,6 𝐵𝑃𝐷(𝐻2𝑂 𝑉𝑎𝑝) ∗ 0,15899 𝑚3

1 𝐵𝑏𝑙 𝐻2𝑂∗

649,50 𝑘𝑔

1 𝑚3∗

1 𝑑

24 ℎ

𝐌𝟏 = 247,83 𝑘𝑔/ℎ

𝐌𝟐 = 576 𝐿𝑏 𝐻2𝑂

ℎ∗

1 𝑘𝑔

2,2 𝐿𝑏 𝐻2𝑂

𝐌𝟐 = 261,82 𝑘𝑔/ℎ

𝐌𝟑 = 120 𝐿𝑏 𝐻2𝑂

ℎ∗

1 𝑘𝑔

2,2 𝐿𝑏 𝐻2𝑂

𝐌𝟑 = 54,55 𝑘𝑔/ℎ

𝐌𝟒 = 250 𝐵𝑃𝐷(𝐻2𝑂 𝐿𝑖𝑞)

𝝆𝟎,𝟎𝟖 𝑴𝑷𝒂𝟐𝟖°𝑪 = 996,30 𝑘𝑔/𝑚3

𝐌𝟒 = 250 𝐵𝑃𝐷(𝐻2𝑂 𝐿𝑖𝑞) ∗ 0,15899 𝑚3

1 𝐵𝑏𝑙 𝐻2𝑂∗

996,30 𝑘𝑔

1 𝑚3∗

1 𝑑

24 ℎ

𝐌𝟒 = 1650,02 𝑘𝑔/ℎ

𝐌𝟓 = M1 + M2 + M3 + M4

𝐌𝟓 = 247,83 𝑘𝑔/ℎ + 261,82 𝑘𝑔/ℎ + 54,55 𝑘𝑔/ℎ + 1650,02 𝑘𝑔/ℎ

𝐌𝟓 = 2214,22 𝑘𝑔/ℎ

18

Figura 7. Balance de masa del agua en la torre de destilación atmosférica (T1)

2.2.2 Balance de masa en el aeroenfriador (E2). Se considera que el aeroenfriador

opera a su máxima capacidad, por lo tanto, toda la masa de vapor de agua que ingresa es

igual a la masa de agua líquida que sale y se deposita en el acumulador de reflujo.

M6 = Entrada de vapor de agua proveniente de la torre de destilación.

M7 = Salida de agua líquida del aeroenfriador.

Balance General

𝐌𝟔 = 𝐌𝟕 (2)

𝐌𝟕 = 𝐌𝟔 = 𝐌𝟓 (3)

𝐌𝟕 = 2214,22 𝑘𝑔/ℎ

Figura 8. Balance de masa del agua en el aeroenfriador (E2)

2.2.3 Balance de masa en el acumulador de reflujo (V2). El condensado de nafta y

agua se depositan en el equipo, el agua al ser más densa que la nafta se sitúa en la parte

inferior de la primera sección del acumulador, ésto ayuda a que la nafta localizada en la

superficie del agua trasvase a la segunda sección y pueda ser recirculada hacia la torre.

El agua depositada sale por la parte inferior del equipo y se dirige al drenaje cerrado. Se

considera una separación total del agua en el acumulador y no existe arrastre de agua en

la nafta ni en los gases que salen del equipo.

19

M8 = Entrada de agua líquida proveniente del aeroenfriador.

M9= Salida de agua líquida del acumulador de reflujo

Balance General

𝐌𝟖 = 𝐌𝟗 (4)

𝐌𝟗 = 2214,22 𝑘𝑔/ℎ

Figura 9. Balance de masa del agua en el acumulador de reflujo (V2)

La masa de salida de agua es de 2214,22 kg/h, valor que representa a 335 BPD de agua

de desecho que se obtiene en la condición actual de operación.

2.3 Análisis químico experimental

Conocida la masa de agua saliente del proceso de destilación, se realizará el respectivo

análisis químico del agua de salida del acumulador (agua de desecho), es importante saber

la caracterización del agua para determinar si es necesario o no un tratamiento previo para

ser reutilizada como agua de lavado en la cima de la torre de la planta. Se realizó el mismo

análisis al agua dulce (agua de utilidades) que actualmente se inyecta en la cima de la

torre para el lavado de las sales y poder efectuar una comparación de calidad de agua que

tiene el proceso actual a diferencia del proceso modificado.

El agua de utilidades que se inyecta a la cima de la torre es previamente tratada con un

polímero catiónico floculante (QUIMIFLOC CP-757), ya que es recolectada del río Bogi

y las lluvias que se dan en el sector, contiene un sin número de impurezas que ocasionaría

ensuciamiento y por lo tanto obstrucción de tuberías y equipos de la planta, es

indispensable este tratamiento para eliminar las partículas de gran tamaño que puedan re-

20

sultar de la adición del químico.

Luego pasa por filtros para retener impurezas de menor tamaño que no han sido

removidas mediante la floculación. El agua filtrada y tratada se almacena en tanques para

cumplir con distintos usos que la empresa requiere y se la denomina agua de utilidades.

El principal objetivo de comparar al agua de desecho con la de utilidades, es poder

mantener los parámetros asociados a la corrosión con los que trabaja la unidad de

destilación actualmente, por lo tanto, al modificar el proceso se debe obtener una mejora

en la planta desde el punto de vista técnico - ambiental de implementación del diseño.

Para el trabajo analítico se recolectó de toma muestras, agua de desecho proveniente de

la salida de agua del acumulador y agua de utilidades del tanque de almacenamiento,

todas estas en recipientes adecuados (limpios y enjuagados varias veces con el agua a

muestrear). Se dejar correr agua por tiempo suficiente para homogenizar el sistema, se

llena el recipiente con un chorro suave para evitar turbulencias y burbujas de aire. Los

ensayos fueron realizados por un periodo de 4 meses durante los días de ingreso al Bloque

16 teniendo así, un grupo representativo de 50 muestras que se observa en el Anexo C.

Se detallan a continuación los procedimientos en base a normas establecidas. Para cada

ensayo se usó distintos materiales, equipos y todo lo referido a seguridad que se requiere,

como es el uso de guantes de nitrilo, mascarilla con filtros para vapores orgánicos y gafas

transparentes.

2.3.1 pH. Procedimiento basado en la norma técnica ecuatoriana NTE INEN 0973. Agua

Potable. Determinación del pH.

Materiales y equipos:

Vaso de precipitación V= 100 ml; Ap: ± 25ml

Probeta V= 100 ml; Ap: ± 1 ml

pH-metro Mettler Toledo

Sustancias y reactivos

21

Muestras de agua etiquetadas 𝐻2𝑂(𝑙)

Agua destilada 𝐻2𝑂(𝑙)

Procedimiento:

a) Usar el pH-metro previamente calibrado.

b) Revisar que el electrodo esté limpio antes de utilizarlo, sino lavar con agua destilada.

c) Colocar 50 ml de agua a 25°C en el vaso de precipitación de 100 ml, introducir el

electrodo a de manera que quede recubierto talmente el bulbo.

d) Esperar que la lectura se estabilice y registrar el valor de pH, observar el anexo D.

e) Lavar el electrodo con agua destilada luego de su uso, secar y guardar.

2.3.2 Alcalinidad. Procedimiento basado en el “Standards Test Method for Acidity or

Alkalinity of Water” de la norma ASTM D1067-16.


Titulador digital HACH

Agitador magnético

Plancha de agitación

Matraz erlenmeyer V= 250 ml; Ap: ± 50ml


Sustancias y reactivos:



Indicador Verde de bromocresol (viraje a pH 4.5)

Cartucho de ácido sulfúrico 1.600 ± 0.008 N 𝐻2𝑆𝑂4 (ac)

Procedimiento:

a) Tomar una alícuota de 10 ml de muestra y aforar a 100 ml con agua destilada.

b) Colocar la muestra en un matraz de 250 ml.

c) Ubicar en la plancha, añadir el agitador y encender el equipo a una velocidad media.

d) Añadir el indicador verde bromocresol en la solución, tomará una coloración verde.

22

d) Añadir el indicador verde bromocresol en la solución, tomará una coloración verde.

e) El cartucho de ácido sulfúrico 1.600±0.008 N colocar en el titulador, titular lentamente

hasta que cambie a rozado pálido, observar el anexo D. Registrar el valor.

2.3.3 Dureza total. Procedimiento basado en el “Standards Test Method for Hardness in

Water” de la norma ASTM D1126-12.



Agitador magnético







Indicador Manver 2

Solución buffer pH 10.1 ± 0.1

Cartucho EDTA 0.800 ± 0.001 M

Procedimiento:




d) Añadir 2 ml de solución buffer de pH 10.1, para que el EDTA pueda formar un

complejo con el ion calcio.

e) Añadir el indicador marver 2 en la solución, toma una coloración rosado.

d) El cartucho EDTA 0.800 ± 0.001 M colocar en el titulador, titular lentamente hasta

que cambie a color azul, observar el anexo D. Registrar el valor.

23

2.3.4 Hierro. Procedimiento basado en el “Standards Test Methods for Iron in Water”

de la norma ASTM D1068-15 y método HACH 8008 doc. 316.53.01053. Hierro Total,

Método fotométrico con sensibilidad de 0.02 a 3 mg/l Fe.


Espectrofotómetro HACH DR 2800

Celda de vidrio HACH V= 25 ml; Ap: ± 25ml





Reactivo Ferrover iron

Procedimiento:

a) Colocar agua destilada en una celda y realizar la lectura del blanco en el equipo.

b) Colocar 25 ml de muestra en una celda e introducir en el espectrofotómetro, seleccionar

el programa 265 para determinación de hierro.

c) Agregar el reactivo ferrover iron, disolverlo dando suaves giros a la celda, una

coloración anaranjada aparecerá si el hierro está presente.

d) Seleccionar time en el equipo y esperar tres minutos, que es el tiempo de reacción.

e) Esperar el timbre de aviso y seleccionar read, registrar el dato. Observar anexo D.

2.3.5 Cloruros. Procedimiento basado en el “Standards Test Methods for Chloride Ion

In Water” de la norma ASTM D512-12.



Agitador magnético



24





Indicador Chloride 2

Cartucho de nitrato de plata 1.12 ± 0.005 N AgNO3 (ac)

Procedimiento:




d) Añadir el indicador chloride 2 en la solución, tomará un color amarillo.

e) El cartucho de nitrato de plata 1.12 ± 0.005 N colocar en el titulador, titular lentamente

hasta que cambie a rojo ladrillo, observar el anexo D. Registrar el valor.

2.3.6 Sulfatos. Procedimiento basado en el “Standards Test Method for Sulfate Ion in

Water” de la norma ASTM D516-16 y en el método HACH 8051 doc. 316.53.01135.

Sulfato, Método fotométrico con sensibilidad de 2 a 70 mg/l SO4-.


Espectrofotómetro HACH DR 2800

Celda de vidrio HACH V= 25 ml; Ap: ± 25ml





Reactivo Sulfaver 4 reagent

25

Procedimiento:

a) Colocar agua destilada en una celda y realizar la lectura del blanco en el equipo.

b) Colocar 25 ml de muestra en una celda e introducir en el espectrofotómetro, seleccionar

el programa 680 para determinación de hierro.

c) Agregar el reactivo sulfaver 4 reagent, disolverlo dando suaves giros a la celda, una

coloración blanquesina aparecerá si sulfato está presente.

d) Seleccionar time en el equipo y esperar cinco minutos, que es el tiempo de reacción.

e) Esperar el timbre de aviso y seleccionar read, registrar el dato. Observar anexo D.

2.4 Identificación de parámetros requeridos para el análisis

Luego de realizar los distintos ensayos se tiene una cantidad considerable de datos que

representan las características tanto del agua de utilidades como el agua de desecho.

Para identificar las variables críticas se tomará en cuenta la Norma Técnica Ambiental

TULAS (Libro VI Anexo1), Norma de Calidad Ambiental y de Descarga de Efluentes:

Recurso Agua, Tabla 12. Esta norma tiene como objetivo la prevención y control de la

contaminación ambiental, en lo relativo al recurso agua en industrias. Los valores

máximos permitidos se puede observar en el anexo E.

Se compara los resultados obtenidos tanto de las muestras de agua de utilidades que se

usa para lavado de cima y también las muestras del agua de desecho que en un futuro se

pretende reutilizar, y que nos permita cumplir con el objetivo del trabajo, ahorrar el

consumo de agua dulce en el proceso.

Con base a esta información se realizó el respectivo análisis comparativo tomando como

base un promedio de cada uno de los parámetros medidos durante el tiempo. Esta

comparación es necesaria para determinar las variables críticas en el diseño del nuevo

sistema, por lo que Repsol ha impuesto valores máximos permitidos basándose en la

norma de calidad ambiental antes mencionada para poder prevenir de cualquier forma la

presencia de corrosión severa en la cima de la torre de destilación de la planta. Los

gráficos 1, 2, 3, 4, 5 y 6, solo representan valores donde la planta opera en condiciones

26

favorables, descartando los valores obtenidos en pruebas de campo donde se disminuyó

el neutralizante en la planta.

2.4.1 Determinación de pH. El pH del agua de desecho permanece entre 6,5 a 7,5.,

rango recomendado por la Empresa Repsol. El agua de desecho tiene un valor de pH

promedio de 7,01; el cual nos indica que se encuentra dentro de los límites designados

por la empresa, además los valores obtenidos son considerados de buena calidad, por lo

tanto es apta para ser recirculada y cumplir con el lavado en la cima de la torre.

El pH es controlado para determinar el desempeño del químico neutralizante que se

inyecta en la cima por la Empresa Quimipac. El agua de utilidades tiene un valor

promedio de 6,70., valor de calidad para el lavado de la cima. La variación de los datos

obtenidos en función del tiempo se observan en el gráfico 1.

Tabla 7. Valores máximos permitidos de pH

Valor Máximo Permitido pH

Norma de calidad TULAS 6,5 – 8,5

Empresa Repsol 6,5 – 7,5

Tabla 8. Valores obtenidos de pH

Valor promedio obtenido pH

Agua de utilidades 6,70

Agua de desecho 7,01

2.4.2 Determinación de alcalinidad. El valor máximo permitido para el agua de desecho

con respecto a la alcalinidad no se indica en la norma de calidad ambiental, pero la

Empresa Repsol ha recomendado un valor en base a la experiencia industrial de 100 mg/l

(ppm CaCO3) y también será un límite del agua para ser usada como agua de lavado. El

agua de desecho tiene un valor de alcalinidad promedio de 16 mg/l (ppm CaCO3), el cual

se encuentra muy por debajo del límite designado por la empresa y por lo tanto es apta

para ser recirculada y cumplir con el lavado de cima de la torre. El agua de utilidades

también cumple con éste parámetro ya que su valor promedio es de 12 mg/l (ppm CaCO3).

La variación de datos obtenidos en función del tiempo se observa en el gráfico 2.

27

Tabla 9. Valores máximos permitidos de alcalinidad

Valor Máximo Permitido mg/l CaCO3 (ppm)

Norma de calidad TULAS –

Empresa Repsol 100

Tabla 10. Valores obtenidos de alcalinidad

Valor promedio obtenido mg/l CaCO3 (ppm)

Agua de utilidades 12

Agua de desecho 16

2.4.3 Determinación de dureza total. El valor máximo permitido de dureza total que

debe tener el agua de desecho es 300 mg/L (ppm CaCO3), éste valor es muy alto para la

Empresa Repsol por lo que determinó un valor referencial de 100 mg/L (ppm CaCO3) y

también será un límite del agua para ser usada como agua de lavado.

El agua de desecho tiene un valor de dureza total promedio de 10 mg/L (ppm CaCO3), el

cual nos indica que se encuentra dentro del límite designado por la empresa y por lo tanto

es apta para ser recirculada y cumplir con el lavado en la cima de la torre. El agua de

utilidades también cumple con éste parámetro ya que su valor promedio es de 9 mg/L

(ppm CaCO3). La variación de los datos obtenidos en función del tiempo se observa en el

gráfico 3.

Tabla 11. Valores máximos permitidos de dureza total

Valor Máximo Permitido mg/l CaCO3 (ppm)

Norma de calidad TULAS 300

Empresa Repsol 100

Tabla 12. Valores obtenidos de dureza total

Valor promedio obtenido mg/l CaCO3 (ppm)


Agua de desecho 10

28

2.4.4 Determinación de hierro. El valor máximo permitido de hierro en el agua de

desecho según la norma es de 10 mg/L (ppm Fe2+), para la Empresa Repsol el valor es

excesivo por lo que ha impuesto un valor máximo permitido de 2 mg/L (ppm Fe2+), éste

debe mantenerse ya que es indicativo de la calidad de los químicos inyectados por

Quimipac, un alto contenido de hierro indicaría una corrosión severa en la cima de la

torre. El valor de hierro promedio obtenido en el agua de desecho es 0,87 mg/L (ppm

Fe2+), el cual nos indica que se encuentra dentro del límite designado por la empresa y

además los valores obtenidos son considerados de buena calidad, por lo tanto es apta para

ser recirculada. El agua de utilidades también cumple con este parámetro ya que su valor

promedio es de 0,18 mg/L (ppm Fe2+). La variación de los datos obtenidos en función del

tiempo se observa en el gráfico 4.

Tabla 13. Valores máximos permitidos de hierro

Valor Máximo Permitido mg/l Fe2+ (ppm)


Empresa Repsol 2

Tabla 14. Valores obtenidos de hierro

Valor promedio obtenido mg/l Fe2+ (ppm)

Agua de utilidades 0,18

Agua de desecho 0,87

2.4.5 Determinación de cloruros. El valor máximo permitido de cloruros en el agua de

desecho es 250 mg/L (ppm Cl-) según la norma de calidad del agua, para la Empresa

Repsol éste valor es considerado extremadamente alto (criterio interno de la empresa) y

los valores se mantienen entre 40 a 60 mg/L (ppm Cl-), por lo que determinó un valor

referencial máximo de 30 a 40 mg/L (ppm Cl-) para considerar al agua de buena calidad

y ser usada en el lavado, un alto contenido de cloruros provocaría corrosión por picadura

en la cima de la torre.

Al agua de desecho (línea 5 de la figura 10) se le realiza un estudio de cloruros para

determinar el desempeño que realizan los químicos inyectados por la Empresa Quimipac.

El valor de cloruros promedio obtenido es de 50 mg/L (ppm Cl-), el cual nos indica que

29

este parámetro no cumple con el límite designado por la empresa (< 40 ppm Cl-) y por lo

tanto para reutilizarla en el proceso se requiere de tratamiento adicional a diluirla con

agua de mejor calidad para llegar al parámetro requerido.

Figura 10. Corrientes de entrada y salida del agua y subproductos en el proceso

El agua de utilidades si cumple con este parámetro ya que su valor promedio es de 17

mg/L (ppm Cl-). La variación de los datos obtenidos en función del tiempo se observa

en el gráfico 5.

Tabla 15. Valores máximos permitidos de cloruros

Valor Máximo Permitido mg/l Cl- (ppm)


Empresa Repsol 40 – 30

Tabla 16. Valores obtenidos de cloruros

Valor promedio obtenido mg/l Cl- (ppm)


Agua de desecho 50

2.4.6 Determinación de sulfatos. El valor máximo permitido de sulfatos que debe tener

el agua de desecho es 200 mg/L (ppm SO4-), éste valor es muy alto para la Empresa

Repsol por lo que determinó un valor referencial de 100 mg/L (ppm SO4-) y también será

un límite del agua para ser usada como agua de lavado.

30

El agua de desecho tiene un valor de sulfatos promedio de 2 mg/L (ppm SO4-), el cual nos

indica que se encuentra dentro del límite designado por la empresa y por lo tanto es apta

para ser recirculada y cumplir con el lavado en la cima de la torre. El agua de utilidades

también cumple con este parámetro ya que su valor promedio es de 1 mg/L (ppm SO4-).

La variación de los datos obtenidos en función del tiempo se observa en el gráfico 6.

Tabla 17. Valores máximos permitidos de sulfatos

Valor Máximo Permitido mg/l SO4- (ppm)


Empresa Repsol 100

Tabla 18. Valores obtenidos de sulfatos

Valor promedio obtenido mg/l SO4- (ppm)


Agua de desecho 1

2.5 Determinación de la variable crítica

El parámetro que limita la recirculación del agua de desecho hacia la cima de la torre es

la concentración de cloruros, por lo tanto se analizará una recirculación parcial del agua

de desecho para diluirla con el agua de utilidades modificando el proceso existente, de

esta manera no se incurriría en el costo de una nueva planta de tratamiento de agua.

Como parte de un análisis químico experimental se diluyó agua de desecho con agua de

utilidades en varios porcentajes de mezcla, con el objetivo de disminuir la concentración

de sales de cloruro del agua de desecho, aprovechando que el agua de utilidades tiene

menor cantidad de cloruros, así se podría ahorrar una cantidad importante de agua de

utilidades sin que la nueva adaptación al sistema afecte a la cima de la torre de destilación

y equipos involucrados referente a un aumento en la corrosión.

Se realizó ensayos en distintas proporciones de mezcla usando cantidades específicas de

cada tipo de agua, los análisis fisicoquímicos determinarían si las diluciones realizadas

31

no afectan al valor promedio obtenidos en cada uno de los parámetros.

Los porcentajes designados para los análisis se realizaron mediante una muestra base de

100 ml de la nueva solución, ya que cada ensayo requiere esta cantidad de agua. La

designación de los porcentajes se indica a continuación:

10%: Corresponde a 10 ml agua de desecho y 90 ml agua de utilidades para la muestra

base de 100 ml.


base de 100 ml.


base de 100 ml.


base de 100 ml.


base de 100 ml.


base de 100 ml.

Ent. Utl: Corresponde a la muestra pura de agua de utilidades, 100 ml.

Sal.V2: Corresponde a la muestra pura de agua de desecho del acumulador, 100 ml.

Para cada parámetro fisicoquímico se tuvo un valor promedio de cada porcentaje como

en anteriores ensayos, se interpretó en gráficas para observar el comportamiento que

tienen las mezclas y como ayuda la dilución de las sales en estos ensayos.

2.5.1 Medición de pH en diluciones. Al igual que en el análisis de las variables críticas

se tomó un valor promedio de pH y éstos se encuentran registrados en la tabla 19, además

se registraron los valores promedios de las muestras puras de agua para identificar si éstos

se encuentran dentro del rango permitido ya establecido anteriormente.

32

Tabla 19. Valores obtenidos de muestras puras y diluidas de pH

Valor Promedio

Obtenido en Ensayos pH

Valor Promedio

Obtenido en Ensayos pH

Agua de utilidades 6,70 Diluciones al 30% 6,85

Agua de desecho 7,01 Diluciones al 40% 6,92

Diluciones al 10% 6,75 Diluciones al 50% 6,95

Diluciones al 20% 6,79 Diluciones al 70% 6,99

Al observar la tabla, los valores promedio obtenidos para cada porcentaje de dilución van

aumentando con respecto al aumento de agua de desecho que exista en la mezcla, pero se

mantiene dentro del límite de valores permitidos ya establecidos. Se puede apreciar de

mejor manera el comportamiento que tiene el pH del agua de desecho en función del

tiempo, indicativo del buen funcionamiento del neutralizante.

Gráfico 1. Valores de pH para muestras puras y diluidas en el tiempo

2.5.2 Medición de alcalinidad en diluciones. Así mismo se tomó un valor promedio de

alcalinidad y éstos se encuentran registrados en la tabla 20, además se registraron los

valores promedios de muestras puras de agua para identificar si estos se encuentran dentro

del rango permitido ya establecido anteriormente.

33

Tabla 20. Valores obtenidos de muestras puras y diluidas de alcalinidad

Valor Promedio

Obtenido en Ensayos

mg/l CaCO3

(ppm)

Valor Promedio

Obtenido en Ensayos

mg/l CaCO3

(ppm)

Agua de utilidades 12 Diluciones al 30% 14

Agua de desecho 16 Diluciones al 40% 14

Diluciones al 10% 12 Diluciones al 50% 15

Diluciones al 20% 13 Diluciones al 70% 15

Al observar la tabla, los valores promedio obtenidos para cada porcentaje de dilución van

aumentando con respecto al aumento de agua de desecho que exista en la mezcla, pero se

mantiene dentro del límite de valores permitidos ya establecidos.

Gráfico 2. Valores de alcalinidad para muestras puras y diluidas en el tiempo

2.5.3 Medición de dureza total en diluciones. Así mismo se tomó un valor promedio

de dureza total y éstos se encuent

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