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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO CONCEPTUAL DE UN SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE VAPORES DE PROPANO DEL LLENADERO DE CAMIONES DE GLP-ULE
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO Para optar al título de ingeniero químico
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO REALIZADO POR:
Br. CHAVEZ GABRIEL
TUTOR ACADÉMICO: ING. MARTÍNEZ HUMBERTO
MARACAIBO, 2011
DERECHOS RESERVADOS
Este jurado aprueba el trabajo especial de grado titulado “DISEÑO CONCEPTUAL DE UN SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE VAPORES DE PROPANO DEL LLENADERO DE CAMIONES DE GLP-ULE”. Presentado por:
Chávez Moran Gabriel Ramón, para optar por el título de ingeniero químico.
Maracaibo, abril de 2011.
Ing. Humberto Martínez
Profesor de la Facultad de Ingeniería Química
Tutor académico
Prof. de la Facultad de Ing. Química Prof. de la Facultad de Ing. Química
Jurado Jurado
DERECHOS RESERVADOS
DEDICATORIA
A mis padres y hermanos, que son un pilar fundamental en mi vida, quienes
me han dado todo su apoyo y comprensión a lo largo de mi carrera.
A la universidad Rafael Urdaneta, por su dedicación para mi formación
como profesional.
A mi novia Rosani Mujica, por su presencia y cariño desde el primer
momento y para siempre.
A todos por este logro.
DERECHOS RESERVADOS
AGRADECIMIENTO
Ante todo a dios, por darme la fuerza y guiarme en cada paso que doy.
A la empresa PDVSA GAS por haberme permitido realizar mi trabajo de
grado y formarme profesionalmente. A los ingenieros Pavel González y Alejandra
Rivero, por su valiosa ayuda y colaboración.
A mi amigo y compañero de tesis Rafael Segundo por su constancia y
disciplina en todo el trayecto de la realización del trabajo de grado.
Al Ing. Humberto Martínez por su dedicación y tiempo para la culminación
de este trabajo especial de grado.
A todos Gracias.
DERECHOS RESERVADOS
Chávez Moran, Gabriel Ramón. “DISEÑO CONCEPTUAL DE UN SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE VAPORES DE PROPANO DEL LLENADERO DE CAMIONES DE GLP-ULE” trabajo especial de grado para optar al título de Ingeniero Químico. Universidad Rafael Urdaneta. Escuela de Ingeniería Química. Maracaibo, Venezuela. 2011, p. 92.
RESUMEN
El objetivo del presente trabajo especial de grado fue diseñar de manera conceptual un sistema de recuperación para los vapores de propano producidos en el complejo GLP-ULE. Específicamente los vapores recuperados fueron los de la sección llenadero de camiones que estaban siendo conducidos al mechurrio y posteriormente venteados a la atmosfera; permitiendo de esta forma una recuperación de producto, la cual oscilo entre 3609 m3/hr a una presión máxima de 1516852 Pa (220 Psig) y 743 m3/hr a la presión mínima de 1206587 Pa (175 Psig) con respecto a la carga de un camión, y para el llenado de cuatro camiones el vapor recuperado fue de 3842 m3/hr y 815 m3/hr en el mismo rango de presión máxima y mínima. La investigación fue iniciada en principio, realizando un levantamiento de los equipos existentes por medio de una evaluación de toda la sección de llenado mediante visitas guiadas, las cuales proporcionaron los datos requeridos para el desarrollo y cumplimiento de los objetivos de la presente investigación, luego se realizo un análisis del sistema de recuperación propuesto, utilizando los programas de simulación HYSYS 3.2 y PIPEPHASE 9.1 a través de los cuales se determinaron caudales y temperaturas de vapor respectivamente. El diseño propuesto consiste en una línea de tubería que va desde la zona de despacho hasta los tanques de almacenamiento, lugar a donde se condujeron los vapores recuperados. Los resultados indican que la recuperación del propano evaporado es viable, puesto que su retorno a los tanques de almacenamiento está respaldado bajo las normativas de diseño PDVSA N° 90616.1.024 “Dimensionamiento de Tuberías de Proceso”. Con la implantación del sistema de recuperación de vapores propuesto se logrará un mayor rendimiento en el llenado de camiones y una disminución en las emisiones de producto a la atmosfera, evitando la propagación de gases que ocasionan el efecto invernadero.
Palabras claves: simulación, recuperación, rendimiento, diseño conceptual, evaluación.
Correo Electrónico: [email protected]
DERECHOS RESERVADOS
Chavez Moran, Gabriel Ramón. "CONCEPTUAL DESIGN OF A PROPANE STEAM RECOVERY SYSTEM OF A TRUCK-FILLING GLP-ULE" Final project to receive a degree as Chemical Engineer. Universidad Rafael Urdaneta. School of chemical engineer. Maracaibo, Venezuela. 2011, p. 92.
ABSTRACT
The aim of the final project was to design in a conceptual way a special recovery system for propane steam produced in a section GLP-ULE. Specifically, the steam recovered was from the truck loading section that had been conduced to flaer and later thrown to the atmosphere. Allowing of this form a recovery of product which weighted 3609 m3/hr at a maximum pressure of 1,516,852 Pa (220 psig) and 743 m3/hr at a minimum pressure of 1,206,587 Pa (175 psig) with regard to the load of a truck, and the steam recovered for four filled trucks was 3842 m3/hr and 815 m3 / hr in the same range of maximum and minimum pressure. The investigation firstly started by making an inventory of existent equipment through an evaluation of the whole loading-section and guided tours, which provided the data required for the objective’s development and accomplishment from the research after realizing an system analysis using simulation programs such as HYSYS 3.2 y PIPEPHASE 9.1 through which steam flow and temperature was were determined respectively. The proposed design consists in a pipeline that goes from the departing zone to the storage tank, where the recovered steam was conducted. The results indicate that the recovery of vaporized propane is feasible, since its return to storage tanks is supported under the design standards PDVSA No. 90616.1.024 "Sizing Process Piping". The implementation of the steam recovery system proposed, will give a better performance in the loading- truck section and a diminution in the emissions of the product to the atmosphere, avoiding gas propagation that may cause global warming.
Key words: simulation, recovery, development, conceptual desing, Evaluation.
E-mail: [email protected]
DERECHOS RESERVADOS
ÍNDICE GENERAL Pág.
DEDICATORIA……………………………………………………………………….....IV
AGRADECIMIENTO………………………………………………………………...…..V
ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………………….......IX
ÍNDICE DE GRAFICOS……………………………………………………………..……X
ÍNDICE DE TABLAS………………………………………..……………………………XI
ÍNDICE DE ANEXOS…………………………………………………….………….….XII
RESUMEN…………………….………………………………………………………...XIII
ABSTRACT…………………..………………………………………………………….XIV
CAPITULO I. EL PROBLEMA................................................................................15
1.1 Planteamiento del problema ..........................................................................15
1.2 Objetivos .......................................................................................................16
1.3 Justificación ...................................................................................................17
1.4 Delimitación ...................................................................................................17
CAPÍTULO II. MARCO TEORICO ..........................................................................19
2.1 Descripción de la empresa ............................................................................19
2.1.1 Antecedentes, origen y creación de PDVSA GAS.........................................19
2.1.2 Misión, visión y objetivos. ...............................................................................22
2.1.3 Estructura organizacional de la empresa. .....................................................23
2.1.3.1 Estructura Organizativa de la Gerencia de Construcción ............................23
2.1.3.2 Estructura Organizativa de la Gerencia de QA/QC .....................................24
2.1.3.3Estructura Organizativa de la Gerencia de Ingeniería ..................................24
2.1.3.4 Estructura Organizativa de la Gerencia de Planificación y Control .............25
2.1.4 Funciones del Proyecto .................................................................................25
2.1.5 Descripción del proceso: ...............................................................................26
2.2 Antecedentes de la investigación. .....................................................................26
2.3 Fundamentos teóricos: ......................................................................................28
DERECHOS RESERVADOS
2.3.1 Alcano ............................................................................................................28
2.3.1.1 Propano.......................................................................................................29
2.3.1.2 Butano .........................................................................................................30
2.3.2 Gas natural.....................................................................................................30
2.3.2.1 Gas licuado de petróleo (GLP) ....................................................................31
2.3.3 Gas ideal ........................................................................................................31
2.3.3.1 Ley de los gases ideales .............................................................................33
2.3.4 Gases reales ..................................................................................................33
2.3.5 Factor de compresibilidad (Z).........................................................................33
2.3.6 Medición de vapor ..........................................................................................34
2.3.6.1 Flujo limite de gases y vapores ...................................................................34
2.3.7 Materiales y sistemas de tuberías ..................................................................34
2.3.7.1 Consideraciones generales ........................................................................34
2.3.7.2 accesorios ..................................................................................................35
2.3.7.3 Válvulas:......................................................................................................36
2.3.8.4 Tubería: .......................................................................................................36
2.3.8.4.1Presión de diseño de tuberías ...................................................................37
2.3.8 Condiciones de diseño ...................................................................................38
2.3.8.1 Presión de diseño:.......................................................................................38
2.3.8.2 Temperatura de diseño: ..............................................................................38
2.3.9 Aislamiento Térmico .......................................................................................39
2.3.9.1 Materiales: ...................................................................................................40
2.3.9.2 Acabados: ...................................................................................................40
2.3.10 Teoría del flujo de fluidos en tuberías...........................................................41
2.3.10.1 Propiedades físicas de los fluidos .............................................................41
2.3.10.2 Viscosidad absoluta o dinámica: ...............................................................41
2.3.10.3 Viscosidad cinemática: ..............................................................................42
2.3.11 Ecuación general de energía Teorema de Bernoulli: ...................................42
2.3.12 Regímenes de flujo:......................................................................................44
2.3.13 Definición de términos básicos:………..……………..…………..……………44
DERECHOS RESERVADOS
2.4 Sistemas de variables .......................................................................................47
CAPÍTULO III. MARCO METODOLOGICO............................................................48
3.1 Tipo de investigación.........................................................................................49
3.2 Diseño de la investigación.................................................................................50
3.3 Técnicas de recolección de datos .....................................................................51
3.4 Instrumentos de recolección de datos ...............................................................53
3.5 Instrumentos de análisis....................................................................................56
3.5.1 Hysys:.............................................................................................................57
3.5.1.1 Arquitectura Básica de HYSYS ...................................................................58
3.5.1.2 Creación de un nuevo caso en HYSYS.......................................................59
3.5.2 Pipephase: .....................................................................................................63
3.5.2.1 Alcance y objetivos de pipephase ...............................................................63
3.5.2.2 Funcionalidad de pipephase........................................................................64
3.5.2.3 Diseño típico de nuevas aplicaciones de pipephase ...................................64
3.5.2.4 Análisis de elevaciones de gas a presión....................................................65
3.4.2.5 Propiedades de líquido tipos .......................................................................65
3.6 Fases de la investigación ..............................................................................67
CAPÍTULO IV. ANALISIS Y RESULTADOS..........................................................70
4.1 Presentación de resultados. ..............................................................................71
4.1.1 Fase I. Realizar el levantamiento de los sistemas existentes del llenadero, en ULE……………………………………….…….…………………………………...…....71
4.1.2 Fase II. Cuantificar los vapores de propano producidos en el llenadero…...72
4.1.3 Fase III. Evaluar hidráulicamente la tubería existente de retorno de propano, actualmente fuera de uso……………………..………………………………………...80
CONCLUSIONES…..……………………………………………………………………84
RECOMENDACIONES….……………………………………………………………...86
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……..………………………………………...…..87
DERECHOS RESERVADOS
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1 Representación tridimensional del propano…………………………... 29
Figura 2 Representacion tridimencional del butano…………………….………. 30
Figura 3 Balance de energia para dos puntos de un fluido……………………. 43
DERECHOS RESERVADOS
INDICE DE GRAFICAS
Grafica 1 Simulación Caudal Cuantificado con 1 Cisterna………………………… 73
Grafica 2 Simulación Caudal Cuantificado con 4 Cisterna..................................... 75
Grafica 3 Caudal Cuantificado, comparación 1 y 4 Cisterna……………………. 76
Grafica 4 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos de abertura de la válvula. Para P=1.516.852 Pa………………………………………………………….
77
Grafica 5 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos de abertura de la válvula. Para P=1.206.587Pa…………………………………………………………..
77
Grafica 6 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos de abertura de la válvula. Para P=1.516.852Pa…………………………………………………………..
78
Grafica 7 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos de abertura de la válvula. Para P=1.206.587Pa…………………………………………………………..
79
Pág.
DERECHOS RESERVADOS
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1 Condiciones en los recipientes de propano……………………………. 55
Tabla 2 Condiciones en las bombas de propano……………………………….. 55
Tabla 3 Líneas de tuberías de propano…………………………………………. 56
Tabla 4 Resultados de las condiciones en los recipientes de propano………. 71
Tabla 5 Resultados de las condiciones en las Bombas de propano…………. 72
Tabla 6 Resultados de las líneas de tuberías de propano……………………. 72
Tabla 7 Simulación Caudal Cuantificado 1 Cisterna…………………………… 73
Tabla 8 Simulación Caudal Cuantificado 4 Cisternas………………………… 75
Tabla 9 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos para la abertura
de la válvula, con 1 cisterna………………………………………………………. 76
Tabla 10 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos para la
abertura de la válvula, con 4 cisternas…………………………………………… 78
Tabla 11 Comportamiento del vapor en el paso de los diferentes diámetros de tubería……………………………………………………………………………
80
Tabla 12 Comportamiento del vapor en el paso de los diferentes diámetros de tubería……………………………………………………………………………. 81
Tabla 13 Gases y vapores (Caida de presion) …………………………………. 82
DERECHOS RESERVADOS
ÍNDICE DE ANEXOS
Pág.
Anexo 1 Ruta de la tubería de retorno de vapores………………………………. 90
Anexo 2 PFD, retorno de vapores…………………………………………………. 91
Anexo 3 Balance de masas………………………………………………………… 91
Anexo 4 Simulación en PIPEPHASE de los caudales recuperados, para 1 y 4
cisternas………………………………………………………………………………. 92
DERECHOS RESERVADOS
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CAPITULO I EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema
En el mundo de la industria petrolera, la quema de vapores de productos
constituye un amplio campo de estudio para la rama de la ingeniería, esta
operación presenta diversas consecuencias desfavorables en el ámbito
económico, ambiental y social, puesto que la combustión de estos vapores,
además de ocasionar contaminación a la atmósfera, representa pérdidas en
materia de producción.
El complejo GLP-ULE de PDVSA obtiene en sus trenes de fraccionamiento
los productos propano y butanos, que son almacenados en tanques, por lo cual se
necesita de altas presiones y bajas temperaturas con el fin de mantenerlos en
estado líquido. Tanto el propano como el butano son distribuidos a los diferentes
clientes internos del complejo, entre los cuales destaca el llenadero de camiones,
quien se surte del producto líquido previamente procesado. Dicho llenadero es una
sección ubicada en las adyacencias de la planta la cual consta de dos islas de
carga, a las que concurren los camiones para su llenado.
El proceso de llenado de los camiones parte desde los tanques de
almacenamiento desde donde los productos son enviados por medio de tuberías
a los respectivos camiones que finalmente los transportaran a sus destinos finales.
Actualmente, durante la carga de los camiones, el producto despachado
sufre cambios físicos, que traen como consecuencia la vaporización del mismo,
además de ello por diversos motivos de elevaciones de presión las válvulas de
DERECHOS RESERVADOS
16
seguridad son accionadas, liberando vapores que son conducidos al sistema de
venteo.
Por consiguiente, se requiere de un sistema de recuperación de los vapores
de propano, que tienen origen en los camiones, y que son venteados durante el
proceso de carga, Todo esto con el fin de retornarlos al recipiente de
almacenamiento mediante el dimensionamiento de tuberías para obtener un buen
rendimiento del sistema propuesto.
Por lo antes expuesto PDVSA específicamente el complejo GLP-ULE tiene
la necesidad de diseñar e implementar un sistema de recuperación de vapores de
propano en la sección del llenadero de camiones, que será puesto en servicio una
vez arranque el proyecto Complejo Criogénico de Occidente (CCO).
1.2 Objetivos
Objetivo General
• Diseñar conceptualmente un sistema de recuperación de vapores de
propano del llenadero de camiones.
Objetivos Específicos
• Identificar mediante un levantamiento, los sistemas existentes del
llenadero en ULE.
• Determinar los vapores de propano producidos en el llenadero.
• Evaluar hidráulicamente la tubería existente de retorno de propano,
actualmente fuera de uso.
• Establecer la documentación de la ingeniería conceptual del sistema
de recuperación de vapores de propano.
DERECHOS RESERVADOS
17
1.3 Justificación
La relevancia del presente trabajo de investigación, radica en la
recuperación de los vapores de propano que están siendo enviados al mechurrio
de la Planta de Fraccionamiento GLP-Ulé, los cuales queman el producto, acción
que de manera directa ocasiona pérdidas económicas. También es de suma
importancia disminuir estas emisiones debido a que existen leyes que sancionan a
las industrias por el exceso de emisiones de CO2 que se libera a la atmósfera.
Desde el punto de vista ambiental, la instalación de un sistema de
recuperación de vapores de propano, representa un gran avance, puesto que la
combustión del propano libera CO2, compuesto que ayuda a la formación del
efecto invernadero, el cual ocurre cuando la cantidad de gases acumulados en la
atmósfera, forma una capa que no permite que la radiación solar que rebota en la
superficie del planeta, escape hacia el espacio. Situación que afecta de manera
directa a todos los seres que habitan la tierra.
El complejo de ULÉ debe mantener una imagen y compromiso responsable
ante la sociedad, por consiguiente es de suma importancia disminuir esas
descargas de vapores que son expulsadas hacia la atmósfera y a la comunidad
que habita en los alrededores de la planta,
1.4 Delimitación
Espacial
El diseño conceptual del sistema de recuperación de vapores de propano del
llenadero del complejo GLP-ULE de PVDSA-GAS, fué realizado en las
instalaciones de esta planta ubicada en la costa oriental del Lago de Maracaibo,
en el Sector conocido como La Vaca, Municipio Simón Bolívar, en el Estado Zulia,
y en la Universidad Rafael Urdaneta.
DERECHOS RESERVADOS
18
Temporal
El trabajo de investigación se realizó entre los meses de septiembre 2010 y abril
de 2011.
DERECHOS RESERVADOS
19
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1 Descripción de la empresa
2.1.1 Antecedentes, origen y creación de PDVSA GAS
Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) Es la corporación estatal de la
República Bolivariana de Venezuela que se encarga de la exploración, producción,
manufactura, transporte y mercadeo de los hidrocarburos, de manera eficiente,
rentable, segura, transparente y comprometida con la protección ambiental; con el
fin último de motorizar el desarrollo armónico del país, afianzar el uso soberano de
los recursos, potenciar el desarrollo endógeno y propiciar una existencia digna y
provechosa para el pueblo venezolano, propietario de la riqueza del subsuelo
nacional y único dueño de esta empresa operadora.
PDVSA Gas se concibe como la filial de Petróleos de Venezuela, S. A. que
se dedica a la exploración y explotación de gas, así como a la extracción y
fraccionamiento de Líquidos del Gas Natural (LGN), al transporte, distribución y
comercialización del Metano, dada su importancia esta industria está presente en
casi todo el país.
En el año 1953 el Ministerio de Minas e Hidrocarburos crea la Dirección de
Petroquímica Nacional, para contribuir a impulsar el desarrollo económico,
mediante la industrialización del gas natural. En 1974 es inaugurado en el
Complejo Petroquímico El Tablazo ubicado en el estado Zulia, la planta de
procesamiento de gas (GLP) con una capacidad de procesamiento de 165
MMPCD (millones de pies cúbicos día). El 29 de agosto de 1975 el Presidente de
DERECHOS RESERVADOS
20
la República de la época, puso el “Cúmplase” a la Ley Orgánica que reserva al
Estado la Industria y el Comercio de los Hidrocarburos.
En 1982 se iniciaron las obras de construcción del Complejo Criogénico de
Oriente en el estado Anzoátegui, compuesto por la planta de extracción San
Joaquín con una capacidad de procesamiento de 800 MMPCED, un poliducto de
96 Km y una planta de fraccionamiento en Jose de 100000 BPD (barriles por día).
En 1985 inicia actividades el Complejo Criogénico de Oriente. En 1986, se
reestructura la Gerencia General de Gas incorporando dentro de sus funciones la
operación del Complejo Criogénico de Oriente y transfiriendo a Lagoven y
Maraven las actividades de gas a venta realizadas hasta la fecha por Corpoven en
el Occidente del país.
En 1992 se incorporaron a la red nacional de gasoductos 10 estaciones de
medición con el propósito de optimizar los procesos de transmisión y distribución
de gas. En 1993 las reservas probadas remanentes de gas asociado se colocaron
en 85 BPC (billones de pies cúbicos), 11,6% por encima de las de 1992, este
mismo año se culminó la primera fase de la ampliación del Complejo Criogénico
de Oriente (ACCRO) que incrementa la capacidad de procesamiento a 1000
MMPCD y 100 mil barriles diarios de LGN, con un financiamiento externo de 442
MM$ y una inversión total de 46758 MMBs.
El 1 de enero de 1998 inicia operaciones PDVSA GAS, empresa filial de
Petróleos de Venezuela integrada a la División de Manufactura y Mercadeo. Su
responsabilidad es impulsar el negocio del gas natural en el país, para lo cual
desarrolla las actividades de procesamiento, transporte, y distribución. En 1999, se
promulga la Ley Orgánica de Hidrocarburos Gaseosos, la cual define el marco
legal requerido para sustentar el negocio en toda la cadena de valor.
En el año 2000 se continuó con la incorporación del Marco Legal de la
industria del gas a través de la aprobación el 31 de mayo de 2000 del Reglamento
DERECHOS RESERVADOS
21
de la Ley Orgánica de Hidrocarburos Gaseosos (RLOHG), y la elaboración,
conjuntamente con el MEM, de la propuesta de organización del Ente Regulatorio
de Gas.
En el 2001 se destaca la consolidación de PDVSA GAS como empresa
verticalmente integrada habiéndose concretado la transferencia de personal,
activos y campos operativos del Distrito Anaco y Bloque E Sur del Lago. A partir
del 2 de diciembre de 2002 se generó una situación de conflicto por parte de un
numeroso grupo de trabajadores de la industria petrolera que produjo el cierre de
pozos de petróleo y por consiguiente la producción del gas asociado; esta
situación coadyuvó a restringir el suministro de gas natural (metano) del sistemas
de redes y del gas licuado de petróleo (GLP) o propano a las plantas de llenado de
las bombonas para el sector residencial, comercial e industrial.
En enero de 2003 se estabilizaron 5 fuentes de suministro de GLP: José,
Guatire, Bajo Grande, Puerto La Cruz y El Guamache. Sin embargo, no estaba
normalizado el suministro desde Ulé, Cardón y El Palito. Producto del gran
esfuerzo realizado por todo el personal de PDVSA GAS se logró recuperar los
niveles operativos con una producción de gas ubicada en 1.379 MMPCED
promedio año y una producción de LGN que alcanzó la cifra de 126 mil barriles
diarios; mientras que las entregas de gas metano al sistema de ventas lograron un
nivel de 1.344 MMPCED.
En el 2004 la nueva PDVSA GAS firmó la buena pro de la Fase I del
proyecto ICO (Interconexión Centro-Occidente) para el inicio de la construcción del
tramo Quero–Río Seco. En el 2005, por resolución de la Junta Directiva de
Petróleos de Venezuela S. A., se acordó la integración de los Negocios del Gas, a
nivel nacional, con base en un plan de acción: La integración a PDVSA GAS del
Distrito de producción Anaco y de los procesos de Extracción y Fraccionamiento
de LGN Oriente y la integración de los procesos de producción de gas libre
DERECHOS RESERVADOS
22
(Bloque E Sur del Lago) y de Extracción y Fraccionamiento de LGN de Occidente,
y de las operaciones de transporte y distribución de gas de Occidente.
2.1.2 Misión, visión y objetivos.
Misión
Extraer, fraccionar, almacenar, despachar y comercializar los líquidos de gas
natural (LGN) y suministrar gas procesado al mercado interno en forma segura,
oportuna y con alta calidad; para lo cual cuenta con una organización que aplica
las mejores prácticas, usa la tecnología más actualizada, está integrada por un
equipo humano altamente competente y actúa alineada con los objetivos
estratégicos de PDVSA Gas para aportar el mayor valor agregado posible al
desarrollo del país.
Visión
Ser la organización procesadora del gas natural producido en el país
reconocido como suplidor confiable de Líquidos de Gas Natural (LGN) y de gas
procesado, que le dé soporte firme al desarrollo industrial de la nación y contribuya
decididamente a la concreción de los planes estratégicos de la industria y del
ejecutivo nacional.
Objetivos.
- Cumplir con los requisitos especificados por nuestros clientes, a través
del mejoramiento continuo de la eficacia en la gestión de la calidad.
- Desarrollar nuestras actividades con el debido respeto por la protección
del medio ambiente, las personas y las instalaciones, controlando y
disminuyendo los riesgos laborales, mejorando continuamente nuestro
desempeño ambiental, seguridad y salud ocupacional.
- Cumplir con las responsabilidades legales, regulatorias y corporativas
vigentes, establecidas para nuestras operaciones, incluyendo las de
materia ambiental, seguridad y salud ocupacional.
DERECHOS RESERVADOS
2.1.3
2.1.3.
Fuent
- Buscar
a nuestro
eliminar l
colaborad
Estructura
1 Estructur
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23
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DERECHOS RESERVADOS
24
2.1.3.2 Estructura Organizativa de la Gerencia de QA/QC
Fuente: González (2004).
2.1.3.3 Estructura Organizativa de la Gerencia de Ingeniería
Fuente: González (2004).
GERENTE COMPLEJO CRIOGÉNICO DE OCCIDENTE
GERENTE DE INGENIERÍA
LIDER DE ESPECIALIDADES
ING. DE PROYECTOS ING. DE PROYECTOS
ING. DE PROYECTOS ING. DE PROYECTOS
LIDER DE PROCESOS
ING. DE PROCESOS ING. DE INTERFASES
ING. DE GAS
DERECHOS RESERVADOS
25
2.1.3.4 Estructura Organizativa de la Gerencia de Planificación y Control
Fuente: González (2004).
2.1.4 Funciones del Proyecto
El proyecto lleva a cabo el estudio y desarrollo de los procesos de
extracción y fraccionamiento; la responsabilidad adquirida engloba el utilizar los
conocimientos necesarios y la tecnología de punta para optimizar la instalación, y
de esta manera garantizar la operatividad adecuada del conjunto de equipos de
procesos presentes en el Complejo, ya que el sistema que se busca implementar
es de alta confiabilidad industrial.
PDVSA GAS está encargada de llevar a cabo la ejecución de trabajos
operacionales como la extracción, el fraccionamiento, almacenamiento, despacho
y comercialización de los Líquidos de Gas Natural (LGN), gas etano y gas
combustible (Metano), para garantizar y proporcionar el suministro del gas
procesado al mercado interno. Además, se caracteriza por la realización de
trabajos complejos utilizando como ofensiva la tecnología disponible en el
mercado, aunado a los conocimientos del capital humano disponible dentro de la
organización.
Fuente: González (2004).
DERECHOS RESERVADOS
26
Entre las actividades a desarrollar, se encuentran:
Visitas técnicas a instalaciones industriales.
Revisión de documentos actuales en GLP-2 y en operación del CCO.
Planificar y ejecutar la elaboración de propuestas para el arranque del proyecto
Complejo Criogénico de Occidente (CCO).
2.1.5 Descripción del proceso:
El llenadero de camiones desarrolla básicamente dos procesos, el primero
llamado facturación y pesaje, que consiste en determinar el volumen de GLP
despachado, con la ayuda del sistema de facturación en línea (SIGAL); empleando
para ello la gravedad específica del producto, midiendo el peso inicial de los
camiones y el peso final de los mismos; el segundo proceso encierra lo
concerniente a la carga del gas licuado en los camiones, durante este
procedimiento se cargan los vehículos con el producto liquido a 220 psig nominal
enviado por las bombas de propano (P20 D/E) y butano (P31C/D) desde los
tanques presurizados (D-11A/B/C con propano y D-11 E/F con butano).
A fin de garantizar la seguridad y estabilidad del GLP en fase líquida se
cargan los camiones hasta un 90% de su capacidad total, para lograr este objetivo
el llenadero posee un sistema de desplazamiento de vapores residuales; de esta
manera los vapores presentes en la unidad al iniciar la carga, sumado a los
vapores generados en el propio proceso son evacuados del camion para
conseguir un porcentaje de volumen de líquido adecuado.
Los vapores generados por el proceso de llenado serán recirculados hacia
los tanques D-11 A/B/C para evitar la pérdida del producto, y que este se pueda
comercializar.
DERECHOS RESERVADOS
27
2.2 Antecedentes de la investigación.
RIVAS TERÁN, MARÍA EUGENIA “DISEÑO DE UN SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE VAPOR ASOCIADO AL OXIREACTOR DE UNA PLANTA DE MONOCLORURO DE VINILO” Trabajo especial de grado. Universidad del
Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Química. Maracaibo, 2007.
En este trabajo de investigación se realizó una red de tuberías donde el
vapor recuperado se atempera por medio de un saturador alineado a dicha tubería
y se envía al cabezal de vapor de baja presión de la planta. Se evaluó la viabilidad
técnica del diseño propuesto mediante visitas guiadas a áreas estratégicas de la
planta y la realización de un análisis de sensibilidad para el sistema de distribución
de vapor, utilizando el programa de simulación ASPEN PLUS v.11.1 a través del
cual se determinó el flujo másico, temperatura y presión de vapor a la salida del
separador flash, según el valor de diseño del sistema de enfriamiento asociado al
oxireactor.
En el presente trabajo se utilizó la metodología empleada y procesos de
investigación que se llevaron a cabo para el cumplimiento de los objetivos
establecidos.
PAVEL GONZALEZ TRUJILLO “EVALUACION DEL SISTEMA DE VENTEO DE VAPORES DE GAS LICUADO DE PETRÓLEO EN EL LLENADERO DE CAMIONES DE LA PLANTA DE FRACCIONAMIENTO ULÉ”, Trabajo especial
de grado. Universidad Nacional Experimental Politécnica Antonio José de sucre.
Facultad de Ingeniería. Escuela de Mecánica. Caracas, 2004.
El presente trabajo realizado tuvo por objetivo optimizar el sistema de
refrigeración y almacenaje de propano recibido por descarga de buques, de las
plantas LGN I/II. Al presentarse escasez de la materia prima (Gas rico), se tiene
que recurrir al cabotaje de Propano; este esquema de operación no formó parte
DERECHOS RESERVADOS
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del diseño original de las plantas. Durante esta operación, las pérdidas de propano
en la sección de almacenaje se incrementaban, haciendo difícil mantener las
condiciones de presión y temperatura para mantenerlo en estado líquido. Dando
como posible opción la Instalación de un compresor booster adicional el cual
permite obtener ahorros considerables por la disminución del tiempo de descarga
de propano de cabotaje, y se evitarán venteos de propano a la atmósfera debido a
altas presiones en el tanque, repercutiendo de una manera positiva en la
disminución de costos de producción y dándole un mayor aprovechamiento a
dicha materia prima en armonía con el ambiente.
El presente trabajo proporcionó datos de referencia del comportamiento del
propano y su variación en el tiempo al momento de descargarlos en los camiones
para su llenado.
2.3 Fundamentos teóricos:
2.3.1 Alcano
Es un hidrocarburo que tiene solo enlaces sencillos. Los alcanos
constituyen la clase más simple y menos reactiva de los compuestos orgánicos,
porque solo contienen carbono e hidrogeno, y no tiene grupos funcionales
reactivos. Aunque los alcanos toman parte en reacciones como pirolisis (cracking)
y combustión a altas temperaturas, son muchos menos reactivos en la mayor
parte de las condiciones, que otras clases de compuestos con grupos funcionales.
Los primeros cuatro alcanos (metano, etano, propano y butano) son gases
a temperatura ordinaria y a presión atmosférica. El metano y el etano son difíciles
de licuar, y por ello, se les maneja como gases comprimidos. Sin embargo, al
enfriarse a temperaturas criogénicas (muy bajas), el metano y etano se convierten
DERECHOS RESERVADOS
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en líquidos. El gas natural licuado, en su mayor parte metano, se transporta más
fácilmente en tanques especiales refrigerados que en estado gaseoso.
El propano y el butano se licuan con facilidad a temperatura ambiente bajo
una presión moderada. Esos gases, que con frecuencia se obtienen del petróleo
líquido, se almacenan en cilindros a baja presión como gas licuado de petróleo
(GLP). Wade (2004).
2.3.1.1 Propano
El propano se licúa fácilmente a temperatura ambiente y a presiones
moderadas. Es obtenido a menudo junto con el petróleo líquido, se almacena en
cilindros a baja presión, constituyendo el denominado gas licuado (GLP).
El propano es un buen combustible, utilizado para la calefacción y motores
de combustión interna. Su combustión es limpia por lo que raramente son
necesarios sistemas de control de polución. En muchas áreas agrícolas
sustituyen a la gasolina y al gasoil de los tractores, ya que son más económicos.
El propano ha reemplazado de forma extensiva a los freones como propelentes
en los envases de los aerosoles. Wade (2004).
Conformaciones del propano:
El propano es el alcano de tres átomos de carbono, con formula química
C3H8. La figura 1 muestra una representación tridimensional.
Figura 1. Representación tridimensional del propano. Fuente: Wade (2004)
DERECHOS RESERVADOS
30
La energía torsional de la conformación eclipsada es aproximadamente de
3.3 Kcal/mol (13.8 KJ/mol), solo 0.3 Kcal (1.2 KJ) más que la requerida para el
etano. Aparentemente, la tensión torsional debida al eclipsamiento del enlace
carbono-hidrógeno con el enlace carbono-metilo es 0.3 Kcal (1.2 KJ) mayor que la
tensión de eclipsamiento de dos enlaces carbono-hidrógeno. Wade (2004).
2.3.1.2 Butano
Es un alcano con cuatro átomos de carbono, cuya fórmula molecular es
C4H10. Decimos que el n-butano es un alcano de cadena recta, pero en realidad la
cadena de átomos de carbono no es recta. Los ángulos entre los átomos de
carbono están cercanos al ángulo tetraédrico, aproximadamente 109.5°.
Al igual que el propano, el butano se emplea como combustible, tanto para
calentamiento como para motores de combustión interna.
Conformaciones del butano:
Las rotaciones con respecto al enlace central del butano dan lugar a varias
formas moleculares, a tres de esas conformaciones de les da un nombre en
especifico, como se muestra en la figura 2. Wade (2004).
Figura 2. Representación tridimensional del butano. Fuente: Wade (2004).
DERECHOS RESERVADOS
31
2.3.2 Gas natural
Es una mezcla de hidrocarburos gaseosos que contienen una cantidad
variable de impurezas. Los hidrocarburos gaseosos, que por lo general se
encuentran en el gas natural producido, consisten en metano, propano, butano,
pentano y, en un grado menor, hexano, heptano y octano. Salas (1969).
El gas natural antes se consideraba un producto de desecho de la
producción petróleo y se destruía quemándolo. Ahora el gas natural es un recurso
natural igualmente valioso que se extrae, se almacena y se utiliza en todo el
mundo. Aproximadamente está formado por un 70% de metano, un 10% de etano
y un 15% de propano, dependiendo de la fuente de origen del gas; también
contiene pequeñas cantidades de otros hidrocarburos y contaminantes. A menudo
se encuentra por encima de las bolsas de petróleo, incluso en lugares donde
existe muy poco o nada de petróleo. Se utiliza principalmente como combustible
doméstico y para generar electricidad; también es importante como materia de
partida para la producción de fertilizantes. Wade (2004).
2.3.2.1 Gas licuado de petróleo (GLP)
Está compuesto por fracciones de hidrocarburos más ligeros que la
gasolina, tales como los butanos, propanos e isobutanos que se almacenan bajo
presión en estado líquido y se utilizan tanto para uso domestico como industriales.
El gas licuado de petróleo en su forma gaseosa puede usarse de modo
análogo a como se usa el gas natural, el gas de la ciudad y el acetileno; así se
emplea para cocinar, calefacción, iluminación, hornos y ortos usos. Salas (1969)
2.3.3 Gas ideal
Puesto que los términos B/V, C/V2, etc. del desarrollo virial (ecuación 1)
aparecen al tomar en cuenta las interacciones moleculares, los coeficientes
viriales B, C, etc. serán cero si estas interacciones no existen. Con esto, el
desarrollo virial se reduce a:
DERECHOS RESERVADOS
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z 1 BV
CV
DV
Ecuación 1
Z= 1 ó P V = R T Ecuación 2
Para un gas real, las interacciones moleculares existen y ejercen influencia
sobre el comportamiento observado del gas. A medida que disminuye la presión
de un gas real, a temperatura constante, V aumenta y las contribuciones de los
términos B/V, C/V2, etc. disminuyen. Para una presión que tiende a cero, Z tiende
a la unidad, no por algún cambio en los coeficientes viriales sino porque V se
vuelve infinito. Por tanto, en el límite, a medida que la presión tiende a cero, la
ecuación de estado toma la misma forma simple que para el caso hipotético donde
B = C = 0; esto es:
Z=1 ó P V = R T
De la regla de las fases se sabe que la energía interna de un gas real es
una función de la presión y la temperatura. Esta dependencia con la presión
aparece como resultado de las fuerzas entre las moléculas. Si estas fuerzas no
existieran, entonces no se necesitaría energía alguna para alterar la distancia
intermolecular promedio y, por consiguiente, no se requeriría energía para originar
cambios de volumen y presión en un gas a temperatura constante. Por tanto, se
concluye que en ausencia de interacciones moleculares, la energía interna del gas
depende exclusivamente de la temperatura. Estas consideraciones sobre el
comportamiento de un gas hipotético en el que no existen fuerzas moleculares y
de un gas real en el límite, a medida que la presión tiende a cero.
El gas ideal es un modelo de fluido útil debido a que está descrito por
ecuaciones sencillas que pueden emplearse a menudo como buenas
aproximaciones para gases reales. En los cálculos de ingeniería a menudo los
DERECHOS RESERVADOS
33
gases que están sujetos a presiones de unos cuantos bar pueden considerarse
como ideales. Smith, Van Ness, Abbott (1997).
2.3.3.1 Ley de los gases ideales
Esta ley relaciona en una ecuación la presión, la temperatura y volumen
para gases perfectos. Es una combinación de las leyes de Boyle, Charles (Gay –
Lussac) y avogadro. Está representada por la ecuación (3).Smith, Van Ness,
Abbott. (2007).
PV=nRT (Ecuación 3)
2.3.4 Gases reales
A diferencia de los gases ideales para un gas real, las interacciones
moleculares existen y ejercen influencia sobre el comportamiento observado del
gas. Conforme disminuye la presión de un gas real a temperatura constante, V
aumenta.
Básicamente la magnitud de la desviación de gases reales de las
condiciones de la Ley de gas ideal incrementa con la presión y la temperatura y
varía ampliamente con la composición del gas.
Existe un factor de corrección llamado factor de compresibilidad del gas,
factor de desviación del gas o simplemente factor Z, se introdujo en la ecuación 3
para considerar la desviación del comportamiento de los gases de la idealidad.
Smith, Van Ness, Abbott. (2007).
2.3.5 Factor de compresibilidad (Z)
Es una relación a dimensional y se define como la relación del volumen real
ocupado por n moles de gas a T y P y el volumen ideal del mismo número de
moles a las mismas condiciones T y P.
DERECHOS RESERVADOS
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Z VV
Ecuación 4
Donde Vr = Volumen real
Vi = Volumen ideal
Para un gas perfecto (gas ideal), el factor de compresibilidad es igual a la
unidad, para un gas real el factor Z es más grande o menor que la unidad
dependiendo de la Presión, temperatura y composición del gas. Smith, Van Ness,
Abbott. (2007).
2.3.6 Medición de vapor
2.3.6.1 Flujo limite de gases y vapores
La velocidad máxima de un fluido comprensible en una tubería está limitada
por la velocidad de propagación de una onda de presión que se mueve a la
velocidad del sonido en el fluido. Como la presión decrece y la velocidad se
incrementa a medida que el fluido se mueve corriente abajo por una tubería de
sección constante, la velocidad máxima aparece en el extremo de salida de la
tubería. Si la pérdida de presión es muy alta, la velocidad de salida coincide con la
velocidad del sonido. Al reducir aún más la presión en la salida, no se detecta
corriente arriba ya que la onda de presión solo se mueve a la velocidad del sonido
y la “señal” no se traslada corriente arriba.
El “exceso” de caída de presión obtenido al reducir la presión en el exterior
después de haber alcanzado el máximo de descarga se produce mas allá del
extremo de la tubería. Esta presión se disipa en ondas de choque y turbulencias
del fluido saliente. Crane (1992).
DERECHOS RESERVADOS
35
2.3.7 Materiales y sistemas de tuberías
2.3.7.1 Consideraciones generales
las siguientes son las consideraciones que deben evaluarse al elegir el
material de una tubería: 1) posible exposición al fuego con respecto a la perdida
de elasticidad, temperatura de degradación, punto de fusión o combustibilidad de
la tubería o material de soporte; 2) capacidad de aislamiento térmico para proteger
la tubería del fuego; 3) sensibilidad de la tubería a fallas quebradizas que pueden
ocasionar una peligrosa fragmentación o falta al choque térmico cuando se
expone al fuego; 4) sensibilidad de los materiales de la tubería al agrietamiento
por corrosión en áreas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos
electrolíticos nocivos, cuando el metal es puesto en contacto con otro metal
diferente; 5) la conveniencia de utilizar empaques, sellos, rellenos y lubricantes
que sean compatibles con el fluido que se maneja; y 6) el efecto refrigerante de
perdidas repentinas de presión en fluidos volátiles al determinar la temperatura
mínima de empleo esperada. Perry, Green, Maloney (1994).
Los fabricantes ofrecen tuberías con extremos bridados en solo unos
cuantos metales. De otro modo, las bridas se fijan a la tubería mediante diversos
tipos de juntas, La junta superpuesta o de solapa implica una modificación de la
tubería que se puede formar de la tubería misma o soldándole un anillo o un
extremo de vástago de junta de solapa.
Existen válvulas y accesorios de extremos bridados en todos los tamaños
de la mayor parte de los metales utilizados para tuberías.
Las bridas de junta de solapa de acero al carbono y hierro dúctil (nodular)
son muy utilizadas como bridas de apoyo con extremos redondeados para reducir
los costos en sistemas de tuberías de acero inoxidable austenítico y otros
materiales costosos. Perry, Green, Maloney (1994).
DERECHOS RESERVADOS
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2.3.7.2 Accesorios
Los acoplamientos o accesorios para conexión se clasifican en: derivacion,
reduccion, ampliacion y desviacion. Los accesorios como tes, cruces, codos con
salida lateral, etc., pueden agruparse como accesorios de derivacion.
Los conectores de reduccion o ampliacion son aquellos que cambian la
superficie de paso del fluido. En esta clase estan las reducciones y los manguitos.
Los acecesorios de desvio, curvas, codos, curvas en U, etc., son los que cambian
la direccion de flujo. Crane (1992).
2.3.7.3 Válvulas:
Los cuerpos de las válvulas pueden manufacturarse en hierro colado,
forjado, maquinado a partir de barras solidas o fabricado a partir de placas
soldadas. Se dispone de válvulas de acero con extremos roscados o casquillos de
soldadura en los tamaños más pequeños.
Las válvulas con extremos roscados de bronce y latón son muy utilizadas
para servicio de fluidos a baja presión en sistemas de acero.
Las válvulas sirven no solo para regular el flujo de fluidos, sino también para
aislar equipos o tuberías para el mantenimiento, sin interrumpir otras unidades
conectadas. El diseño de la válvula deberá evitar que los cambios de presión y
temperatura y de deformaciones de las tuberías conectadas, distorsionen o
establezcan una mala alineación en las superficies de sellado. Estas últimas
deberán ser de material y diseño tales que la válvula permanezca hermética
durante un periodo de servicio razonable. Perry, Green, Maloney (1994).
2.3.8.4 Tubería:
Es un sistema que consta de tubos, bridas, pernos, empacaduras, válvulas,
accesorios, juntas de expansión, tensores, juntas giratorias, elementos para
DERECHOS RESERVADOS
37
soportar tuberías, y aparatos que sirven para mezclar, separar, amortiguar,
distribuir, medir y controlar el flujo.
El diseño, la fabricación y la construcción de sistemas de tuberías están regulados
por códigos, de acuerdo a su uso; los principales códigos aplicables son:
ASME/ANSI B31.1 Power Piping
ASME/ANSI B31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping. Manual de
diseño de proceso - temperatura y presión de diseño, PDVSA N° MDP–01–DP–01
(1994).
2.3.8.4.1 Presión de diseño de tuberías
La presión de diseño para tuberías debe ser consistente con la presión de
diseño para los recipientes y equipos a los cuales se conectan, y cumplir con los
siguientes aspectos:
Tuberías protegidas por aparatos de alivio de presión (AP) – En este caso,
la presión de diseño debe ser igual a la presión de ajuste establecida para el
aparato de alivio de presión (AP) que protege al sistema, más el cabezal estático
cuando aplique.
Tuberías no protegidas por aparatos AP – La presión de diseño para
cualquier sección de tubería no protegida por un aparato AP debe ser igual a la
presión máxima que se puede desarrollar como resultado de una falla de una
válvula de control, del bloqueo de una bomba, o del cierre inadvertido de una
válvula, más el cabezal estático.
Para tuberías sujetas a presión por bloqueo de bombas centrífugas y no
protegidas por un aparato AP, un estimado aceptable de presión de diseño es el
valor numérico mayor entre los siguientes:
DERECHOS RESERVADOS
38
1. Presión de succión normal de la bomba más 120% del diferencial de presión
normal de la bomba.
2. Presión de succión máxima de la bomba más el diferencial de presión normal
de la bomba.
En algunas circunstancias, puede ser necesario diseñar utilizando la
presión de succión máxima de la bomba más el 120% del diferencial de presión
normal de la bomba (caso más conservador). Manual de diseño de proceso -
Temperatura y Presión de Diseño, PDVSA N° MDP–01–DP–01 (1994).
2.3.8 Condiciones de diseño
Las definiciones de temperaturas, presiones y otros aspectos aplicables al
diseño de sistemas de tuberías se muestran a continuación.
2.3.8.1 Presión de diseño:
La presión de diseño de un sistema de tuberías no será menor que la
presión en las condiciones conjuntas más severas de presión y temperatura para
el espesor mayor o relación presión-temperatura requerida.
2.3.8.2 Temperatura de diseño:
La temperatura de diseño es la temperatura del material representativa para
las condiciones conjuntas más severas de presión y temperatura. Cuando se trate
de tubería metálica no aislada con fluido a una temperatura inferior a 38°C
(100°F), la temperatura del metal será considerada como la temperatura del fluido.
Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38°C
(100°F) y la tubería no tenga aislamiento externo, la temperatura del metal será
tomada como un porcentaje de la temperatura del fluido, a menos que se
determine una temperatura más baja por experimentación o cálculo. Para tubería,
DERECHOS RESERVADOS
39
válvulas roscadas y con extremos soldados, accesorios y otros componentes con
espesor de pared comparable al de esa tubería, el porcentaje será de 95%; para
bridas, válvulas y accesorios bridados, será de 90%; para bridas con junta de
solapa será de 85%; y para pernos, de 80%.
Cuando el sistema tenga aislamiento externo, la temperatura del metal será
la que tenga el fluido que se maneje, a menos que existan datos de servicio
proporcionados por el fabricante, resultados de experimentos o cálculos que
justifiquen valores más bajos. Cuando se trate de tubería aislada internamente, la
temperatura del metal se calculará o se obtendrá por experimentación. Perry,
Green, Maloney (1994).
2.3.9 Aislamiento Térmico
Los materiales o las combinaciones de materiales que tienen bolsas llenas
de aire o de gas, o bien espacios vacios que retardan la transferencia de calor con
una eficiencia razonable, se pueden considerar como aisladores térmicos. Esos
materiales pueden ser partículas y/o fibrosos (o de los dos tipos a la vez), con
aglutinadores o sin ellos, o pueden ser estructurales, como las superficies
múltiples de reflexión de calor, que poseen espacios vacios, llenos de aire o gas.
La capacidad de un material para retardar el flujo de calor se conoce como
conductividad térmica (para un espesor unitario) o conductancia (para un espesor
especifico) o. cuando se tienen valores de conductividad o conductancia térmica
bajos (o altos valores de resistividad o resistencia térmica) se tiene un caso
característico de aislamiento térmico.
El calor se transfiere por radiación, conducción y convección. La radiación
es el modo primario de transferencia y puede tener lugar aun en el vacío. La
cantidad de calor transferido por un área determinada es relativa al gradiente de
temperatura y a la emisividad desde la superficie radiante a la superficie
absorbente. La conducción se debe a un movimiento molecular y ocurre en gases,
DERECHOS RESERVADOS
40
líquidos y sólidos. Cuando más estrecha sea la estructura molecular, mayor será
la velocidad de transferencia. Como un ejemplo de esto se tiene el acero
inoxidable, que conduce calor con un índice aproximado 600 veces superior al
correspondiente para materiales típicos de aislamiento térmico. La convección se
debe al movimiento de masa y se presenta solo en fluidos. El propósito básico de
un sistema de aislamiento térmico es minimizar la cantidad de calor transferida.
2.3.9.1 Materiales:
El aislamiento térmico se puede producir con diversos materiales o
combinaciones de los mismos, en diversas formas, tamaños y espesores. Los
materiales más comunes se pueden clasificar de acuerdo con las categorías
siguientes:
• Minerales celulares o fibrosos: Alúmina, asbesto, vidrio, perlita, roca,
sílice, escoria o vermiculita.
• Orgánicos celulares o fibrosos: caña, algodón, madera y corteza de
arboles (corcho).
• Plásticos orgánicos celulares: Elastómeros, poliestireno,
poliisocianato, poliisocianurato y acetato de polivinilo.
• Cementos: Aislamiento y/o acabado.
• Metales reflejantes de calor (reflectivos): Aluminio, níquel, acero
inoxidable.
• Formas disponibles: Mantas (fieltro o material fibroso), bloque,
cemento, relleno, hojas y laminas, prensado o poroso, flexible, rígido
y semirrígido.
El espesor real del aislamiento de la tubería difiere de los valores
nominales.
DERECHOS RESERVADOS
41
2.3.9.2 Acabados:
Los aislamientos térmicos requieren una cobertura externa (acabado) para
proporcionar protección contra el acceso de agua o fluidos de proceso, daño
mecánico y degradación ultravioleta de materiales espumados. En algunos casos
el acabado puede reducir el índice de extensión de llama y/o proporcionar
protección contra el fuego.
El acabado puede ser un recubrimiento (pintura, material asfaltico, resinoso
o polimérico), una membrana (fieltro o papel recubierto, hoja de metal o lámina
plástica) o algún material en forma laminar (tejido, metálico o plástico). Perry,
Green, Maloney (1994).
2.3.10 Teoría del flujo de fluidos en tuberías
El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es
impulsarlo a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son
las más frecuentes, ya que esta forma ofrece no sólo mayor resistencia estructural
sino también mayor sección transversal para el mismo perímetro exterior que
cualquier otra forma. A menos que se indique específicamente, la palabra “tubería”
en este estudio se refiere siempre a un conducto cerrado de sección circular y
diámetro interior constante.
2.3.10.1 Propiedades físicas de los fluidos
Se puede predecir la viscosidad de la mayor parte de los fluidos; en algunos
la viscosidad depende del trabajo que se haya realizado sobre ellos. La tinta de
imprenta, las papillas de pulpa de madera y la salsa de tomate, son ejemplos de
fluidos que tienen propiedades tixotrópicas de viscosidad.
Existe gran confusión respecto a las unidades que se utilizan para expresar
la viscosidad; de ahí la importancia de utilizar las unidades adecuadas cuando se
sustituyen los valores de la viscosidad en las fórmulas.
DERECHOS RESERVADOS
42
2.3.10.2 Viscosidad absoluta o dinámica:
La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el
pascal segundo (Pa s) o también newton segundo por metro cuadrado (N s/m2), o
sea kilogramo por metro segundo (kg/ms).
2.3.10.3 Viscosidad cinemática:
Es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad. En el sistema
internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por
segundo (m2/s). La unidad CGS correspondiente es el stoke (St), con dimensiones
de centímetro cuadrado por segundo y el centistoke (cSt), lO-2 stokes, que es el
submúltiplo más utilizado.
1 m2/s = 106 cSt Ecuación 5
1 cSt = 10-6 m2/s
La medida de la viscosidad absoluta de los fluidos (especialmente de gases
y vapores) requiere de instrumental adecuado y de una considerable habilidad
experimental.
Por otro lado, se puede utilizar un instrumento muy simple, como es un
viscosímetro de tubo, para medir la viscosidad cinemática de los aceites y otros
líquidos viscosos. Con este tipo de instrumentos se determina el tiempo que
necesita un volumen pequeño de líquido para fluir por un orificio y la medida de la
viscosidad cinemática se expresa en términos de segundos. Crane (1992).
2.3.11 Ecuación general de energía Teorema de Bernoulli:
El teorema de Bernoulli es una forma de expresión de la aplicación de la ley
de la conservación de la energía al flujo de fluidos en una tubería. La energía total
en un punto cualquiera por encima de un plano horizontal arbitrario fijado como
DERECHOS RESERVADOS
43
referencia, es igual a la suma de la altura geométrica, la altura debida a la presión
y la altura debida a la velocidad, es decir:
z P. . . .
H Ecuación 6
Z144P
pv2g H
Si las pérdidas por rozamiento se desprecian y no se aporta o se toma
ninguna energía del sistema de tuberías (bombas o turbinas), la altura total H en la
ecuación anterior permanecerá constante para cualquier punto del fluido. Sin
embargo, en la realidad existen pérdidas o incrementos de energía que deben
incluirse en la ecuación de Bernoulli. Por lo tanto, el balance de energía puede
escribirse para dos puntos del fluido, según se indica en el ejemplo de la figura 4.
Nótese que la pérdida por rozamiento en la tubería desde el punto uno al punto
dos (h,) se expresa como la pérdida de altura en metros de fluido (pies de fluido).
La ecuación puede escribirse de la siguiente manera:
Z P Z P hL Ecuación 7
Z144P
pv2g Z
144Pp
v2g hL
Figura 3: Balance de energía para dos puntos de un fluido. Fuente: Crane (1992).
DERECHOS RESERVADOS
44
Todas las fórmulas prácticas para el flujo de fluidos se derivan del teorema
de Bernoulli, con modificaciones para tener en cuenta las pérdidas debidas al
rozamiento. Crane (1992).
2.3.12 Regímenes de flujo:
Los newtonianos que circulan por tubos exhiben dos tipos distintos de flujo,
laminar (o líneas de corriente paralelas) cuando Re < 2100, y turbulento cuando
Re > 4000. Entre’ Re = 2100 y Re = 4000 se observa un régimen de transición con
flujo incierto y algunas veces fluctuante. Levenspiel (1993).
2.3.13 Definición de términos básicos:
• Alcano: Tipo de hidrocarburo de formula general CnH2n+2, los alcanos son
compuestos saturados sin enlaces dobles o triples. El metano (CH4) y el etano
(C2H6) son ejemplos típicos. Son relativamente inertes. Bajo radiación ultravioleta
reaccionan con el cloro para dar una mezcla de productos de sustitución.
Brailsford (1985).
• Bomba: Dispositivo que se emplea para impulsar un liquido o lodo de un lugar a
otro, por lo general a lo largo de una tubería. Felder, Rousseau (2004).
• Calor: Energía que se transfiere entre un sistema y sus alrededores como
consecuencia de una diferencia de temperatura. El calor siempre fluye de la
temperatura más alta hacia la más baja. Felder, Rousseau (2004).
• Condensación: Proceso en el cual el gas de entrada se enfría, se comprime o
ambas cosas, lo cual provoca que uno o más de los componentes del mismo se
licuen. Los gases no condensados y el condensado líquido salen del condensador
como corrientes separadas. Felder, Rousseau (2004).
DERECHOS RESERVADOS
45
• Densidad: Símbolo p. Se dice de la masa por unidad de volumen de una
sustancia dada. Las unidades son g dm-3, etc. Brailsford (1985).
• Densidad relativa: Símbolo d. relación entre la densidad de una sustancia dada
y la densidad de una sustancia referencia. Las densidades relativas de los líquidos
se miden con respecto a la densidad del agua a 4°C. las densidades relativas
también se especifican para los gases, generalmente con respecto al aire en
condiciones normales, STP. La temperatura de la sustancia se establece en 20°C.
la densidad relativa se llamaba anteriormente gravedad específica. Brailsford
(1985).
• Densidad de vapor: Relación entre la masa de cierto volumen de un vapor y la
masa de un volumen igual de hidrogeno (medida de la misma temperatura y
presión). La determinación de las densidades de vapor es un método para
encontrar la masa molecular relativa de un compuesto (igual al doble de la
densidad de vapor). Brailsford (1985).
• Gas Licuado de Petróleo (GLP). Producto combustible que comúnmente se
designa con las siglas GLP, está compuesto por hidrocarburos de tres (3) y cuatro
(4) átomos de carbono, predominantemente propano, butano o ambos, que siendo
gaseosos condiciones normales de presión y temperatura CNPT (101,3 kPa y 25
°C) puede ser licuada (convertida en líquido) aplicando presión, enfriamiento o
ambos, para facilitar el almacenamiento, transporte y manejo. Reglamento técnico
centroamericano HN-RTCA 75.01.21 (2005).
• Hidrocarburos C3, C
4 y C
5: Son los compuestos químicos formados por tres (3),
cuatro (4) y cinco (5) átomos de carbono y sus correspondientes átomos de
hidrógeno dependiendo de su estructura molecular, tales como: propano, butano y
pentano respectivamente. Reglamento técnico centroamericano HN-RTCA
75.01.21 (2005).
DERECHOS RESERVADOS
46
• Odorizante: Es la sustancia química utilizada para proporcionar olor a los Gases
Licuados del Petróleo (GLP), ya que dichos productos son inodoros e incoloros y
no es posible detectarlos por medio de los sentidos humanos normales, por lo que
una vez odorizados permite detectar rápidamente las fugas que eventualmente
podrían ocurrir. Uno de los odorizantes más comunes para Gases Licuados de
Petróleo (GLP) es el etil-mercaptano, cuya fórmula química es C2H
6S Reglamento
técnico centroamericano HN-RTCA 75.01.21 (2005).
• Presión: Símbolo P. la presión sobre una superficie debida a las fuerzas de otra
superficie o de un fluido, es la fuerza que actúa a 90° por unidad de área de la
superficie:
Presión = fuerza/área
La unidad es el pascal (Pa). Brailsford (1985).
• Presión crítica: se dice de la presión más baja que se necesita para lograr
licuefacción de un gas en su temperatura química. Brailsford (1985).
• Presión de vapor: la presión ejercida por un vapor. La presión de vapor
saturado es la presión de un vapor en equilibrio con su liquido o solido. Depende
de la naturaleza del líquido o del sólido y de la ttemperatura. Brailsford (1985).
• Presión de vapor manométrica: Es la presión ejercida por el vapor de un líquido
cuando dicho vapor está en equilibrio con el líquido, medido a través de un
manómetro. Reglamento técnico centroamericano HN-RTCA 75.01.21 (2005).
• Propano: Es el gas licuado de petróleo (GLP) formado predominantemente por
hidrocarburos saturados (sin doble enlace entre dos (2) átomos de carbono en la
DERECHOS RESERVADOS
47
molécula: C=C) y constituido por tres (3) átomos de carbono con fórmula química
C3H
8. Reglamento técnico centroamericano HN-RTCA 75.01.21 (2005).
• Simulación de procesos: Es la etapa en la cual se requiere solucionar balances
de materia y energía para un proceso en estado estacionario, calcular
dimensiones y costos de los equipos y efectuar una evaluación económica
preliminar del proceso.
• Vaporización: (evaporación). Proceso mediante el cual un liquido o solido se
convierte en gas o vapor por calor. A diferencia de la ebullición, que ocurre a
temperatura fija, la vaporización puede ocurrir a cualquier temperatura. Su
velocidad aumenta a medida que aumenta la temperatura. Brailsford (1985).
• Viscosidad: Es la propiedad que presenta un fluido de resistir la rapidez con la
que tiene lugar la deformación cuando las fuerzas cortantes actúan sobre el fluido.
Como propiedad del fluido la viscosidad depende de la temperatura, composición
y presión del fluido pero es independiente de la rapidez de deformación cortante.
Welty, Wicks, Wilson (1999).
DERECHOS RESERVADOS
48
2.4 Sistemas de variables
Objetivo General: Diseñar conceptualmente un sistema de recuperación de
vapores de propano del llenadero de camiones en forma líquida.
Objetivos Específicos Variables Dependientes
Subvariables Indicadores
Realizar el levantamiento de los sistemas existentes
del llenadero, en ULE.
Sistema de recuperación de
vapores de propano del llenadero de
camiones
Levantamiento de los sistema
existentes
Longitud (m) Características
de los tanques de propano
Diámetro (in) Schedule
Material de aislamiento
Cuantificar los vapores de propano producidos en el
llenadero
los vapores de propano
producidos en el llenadero
Condiciones del caudal de llenado
Caudal vaporizado (m3/hr)
Condiciones del caudal
vaporizado Presión de
descarga de bombas (Psig)
Caudal de llenado (lb/hr)
Evaluar hidráulicamente la tubería existente de retorno
de propano, actualmente fuera de uso.
Tubería existente
de retorno de propano
Caída de presión (Psig)
Velocidad de fluido (Ft/s) Perdida por fricción (in)
Caudal (m3/hr) Fase del caudal
de retorno
Desarrollar la documentación de
ingeniería conceptual del sistema de recuperación de
vapores de propano.
Documentos de ingeniería conceptual
Ruta de la tubería
Balance de masas
Especificaciones de tuberías
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CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO
3.1 Tipo de investigación
Según Tamayo “es de gran importancia tener definido el tipo de
investigación, pues un buen planteamiento de este garantiza que las relaciones
que se establecen y los resultados o nuevos conocimientos obtenidos tengan el
máximo grado de exactitud y confiabilidad”. Tamayo (2009).
Por ello se realizó un previo análisis de todos los tipos de investigación que
podían emplearse en el presente trabajo especial de grado, con el fin de
determinar el que aplicaba mejor al estudio en cuestión.
"Un proyecto factible se define como una propuesta de soluciones a una
situación determinada a partir de un proceso de indagación. Implica explorar,
describir, explicar y proponer alternativas de cambio, mas no necesariamente
ejecutar la propuesta." Hurtado (2007).
La investigación que se realizó en el presente trabajo de grado, enmarcó
claramente el concepto de un proyecto factible, ya que esta buscó la solución a
un problema que se presenta actualmente en la sección del llenadero de camiones
de GLP-Ulé (PDVSA Gas), este es la perdida de vapores de propano que
generalmente son enviados a un mechurrio o en el peor de los casos son
venteados a la atmosfera, este último es uno de los motivos más importantes de la
investigación ya que evitar estas descargas contribuirá a la preservación del
medio ambiente.
DERECHOS RESERVADOS
50
Por la situación antes descrita se propuso realizar un diseño de un sistema
de recuperación de vapores de propano, con el objetivo de contribuir a la no
contaminación del planeta y evitar pérdidas de producto en la planta durante el
proceso de llenado de los camiones.
3.2 Diseño de la investigación
"En general un diseño de investigación es un verdadero modelo de
verificación que permite contrastar los hechos con la teoría, y su forma es la de
una estrategia o plan general que determina las operaciones para hacerlo." Cerda
(2005).
Mostrar de manera explícita los aspectos operativos y funcionales del
presente trabajo especial de grado, es uno de los factores más relevante
dentro de la investigación, por esto es imprescindible determinar con exactitud el
tipo de diseño que regirá el trabajo a realizar.
Anteriormente se definió la presente investigación como proyecto factible y
según las normas UPEL se entiende que “este tipo de investigaciones
generalmente son acompañadas por un diseño documental y de campo”.
Sin embargo, para corroborar dicha afirmación se citó al siguiente autor
que define los diseños propuestos por la norma:
La investigación documental es un proceso basado en la búsqueda, recuperación, análisis, critica e interpretación de datos secundarios, es decir, los obtenidos y registrados por otros investigadores en fuentes documentales impresas, audiovisuales o electrónicas. Como en toda investigación, el propósito de este diseño es el aporte de nuevos conocimientos. Arias (2006).
En el diseño conceptual de un sistema de recuperación de vapores de
propano, se necesitó de diversas fuentes documentales, las cuales sirvieron de
base para la estructuración e interpretación del proceso, el cual se rige y trabaja
en función de fórmulas, ecuaciones y deducciones del comportamiento de los
DERECHOS RESERVADOS
51
gases en sus diversos estados ya sea líquido (GLP), o en su estado natural. De
esta manera se ratifica el presente trabajo como una investigación de tipo
documental ya que se acopla a su concepto como tal.
La investigación de campo es aquella que consiste en la recolección de datos directamente de los sujetos investigados, o de la realidad donde ocurren los hechos (datos primarios), sin manipular o controlar variable alguna, es decir, el investigador obtiene la información pero no altera las condiciones existentes. Arias (2006).
Además de apoyarse en datos documentales, se requirió de visitas a las
instalaciones del llenadero de camiones de la planta PDVSA-ULE, para la
realización de mediciones de flujos y presiones y toma de datos de campo tales
como longitudes de tuberías, equipos y recubrimientos utilizados, es decir todo lo
concerniente al levantamiento del sistema utilizado en el llenadero de camiones.
3.3 Técnicas de recolección de datos
Una vez establecidos los objetivos del estudio realizado, así como la
metodología de la investigación, es preciso seleccionar las técnicas e
instrumentos de recolección de datos, mediante los cuales se obtendrá la
información necesaria para llevar a cabo la investigación.
“Las técnicas de recolección de datos son procesos que conducen a la
obtención y recolección de información, la cual debe ser guardada en un medio
material de modo que los datos puedan ser recuperados, procesados, analizados
e interpretados posteriormente”. Arias (2006).
Siguiendo el tipo y diseño de investigación concretado anteriormente, para
el presente estudio se estableció una exploración documental y de campo, las
cuales seleccionan y señalan cada una de las técnicas a emplear en el desarrollo
del trabajo en cuestión. Estas a su vez también seleccionan los instrumentos que
aplican a cada una de ellas.
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52
Para la exploración documental como su nombre lo indica se empleó la
técnica de análisis documental, la cual en primera instancia toma un valor
significativo y de suma importancia, pues es ella la que amplía los conocimientos
y conceptos teóricos manejados en el desarrollo del estudio realizado,
básicamente esta es la encargada de abrir los horizontes de la investigación ya
que proporciona todo lo necesario para que dicho trabajo se ejecute bajo normas,
formulas, ecuaciones y así detectar posibles comportamientos, impartidos por
referencias bibliográficas especializadas en el tema tratado.
Esta técnica es utilizada en todos los estudios, consultas análisis y
trabajos que conlleven a la solución de un problema, como lo es el presente caso,
ya que siempre se debe de acudir y buscar apoyo en materiales bibliográficos,
con el objeto de relacionarse con el tema tratado para obtener una solución
optima y satisfactoria.
“La exploración de campo es aquella en la que el mismo objeto de estudio
sirve como fuente de información para el investigador, el cual recoge directamente
los datos de las conductas observadas en el lugar donde se esté ejecutando la
investigación”. Mora (2008).
Partiendo de lo afirmado, la técnica utilizada en dicha exploración de
campo fue la observación:
“Es una técnica que consiste en visualizar o captar mediante la vista, en
forma sistemática, cualquier hecho o situación que se produzca en la naturaleza o
en la sociedad, en función de unos objetos de investigación preestablecidos”.
Arias (2006).
Para el desarrollo del presente trabajo especial se grado se seleccionó la
técnica de observación directa, específicamente la estructurada y la no
estructurada.
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53
“La observación directa, consiste en interrelacionarse de manera directa
con el medio y con la gente que lo conforman para realizar los estudios de
campo”. Mora (2008).
“La observación libre o no estructurada, es la que se ejecuta en función de
un objetivo, pero sin una guía prediseñada que especifique cada unos de los
aspectos que deben ser observados”. Arias (2006).
“La observación estructurada, es aquella que además de hacerse en
correspondencia con unos objetivos, utiliza una guía prediseñada previamente, en
la que se especifican los elementos que serán observados”. Arias (2006).
La primera técnica fue elegida para el desarrollo del presente trabajo ya
que cumplió y se acopló con lo necesario para lograr ciertos objetivos específicos
planteados inicialmente, que se necesitó de la observación directa no
estructurada para su satisfacción.
Además de ello también se ejecutaron observaciones de forma
estructurada donde se necesitaron de guías diseñadas previamente para no
pasar por desapercibido ningún aspecto importante y necesarios para cumplir con
los objetivos.
3.4 Instrumentos de recolección de datos
Anteriormente se afirmó que las técnicas de recolección de datos
seleccionan los instrumentos que aplican a cada una de ellas:
Los instrumentos representan la herramienta con la cual se va a recoger, filtrar y codificar la información. Los instrumentos, pueden estar ya elaborados e incluso normalizados, como es el caso de los test y algunas escalas. Sin embargo, si se trata de eventos poco estudiados puede ser necesario que el investigador elabore sus propios instrumentos.
Los instrumentos están en correspondencia con las técnicas, y la selección de las técnicas a utilizar en una investigación está
DERECHOS RESERVADOS
54
relacionada con el tipo de indicios que permiten captar el evento de estudio. Hurtado (2007).
Para el desarrollo del diseño conceptual del sistema de recuperación de
vapores de propano del llenadero de camiones GLP-ULE, se definieron ciertas
técnicas de recolección de datos, las cuales según Hurtado (2007), están
estrechamente ligadas a los instrumentos, pues estos son señalados y
especificados por cada técnica utilizada.
En la exploración documental se seleccionó la técnica de análisis
documental, para la cual se utilizaron instrumentos básicos como libros y
manuales especializados en de gases y sus propiedades, operaciones unitarias,
química e instrumentación. Además computadoras y unidades de almacenaje de
información.
En la exploración de campo se empleó la técnica de observación,
específicamente la estructurada, en donde se utilizó como instrumento un cuadro
de chequeo que fue elaborado previamente, como lo indica su concepto para no
olvidar ningún aspecto, en dicho cuadro fueron consignadas ciertas
especificaciones por medio de las cuales se logró cumplir el primer objetivo del
estudio realizado. También se utilizó la observación no estructurada, que al igual
que el primer caso también contribuyó satisfacer ciertos objetivos.
Además de las técnicas con sus respectivos instrumentos anteriormente
descritos, se utilizó otro herramienta de medición de suma importancia, sobre el
cual recayó gran parte de desarrollo de la investigación y que al igual que lo otros
también estuvo en función a objetivos con el fin de cumplirlos, este es el
instrumento de análisis.
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Equipos existentes del llenadero, en ULE
Tabla 1 Condiciones en los recipientes de propano.
Fuente: Investigador
Tabla 2 Condiciones en las bombas de propano.
Bombas de Propano Caudal (GPM) Potencia (HP) Presión máxima (Psig)
P20 A/B/C
Fuente: Investigador
Recipientes de Propano
Diámetro
(pulgadas)
Longitud
(Pies)
Presión de
Diseño
(Psig)
Presión de
Operación
(Psig)
Temp de
Diseño
(ºF)
Temp, de
Operación
(ºF)
Capacidad
(BBLS)
Recipientes de
almacenamiento de
Propano D11 A/B/C
Esfera de
Propano E - 1
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Tabla 3 Líneas de tuberías de propano.
Tuberías de Propano
Diámetro
(pulgadas)
Schedule
Material de
aislamiento
Longitud total de la
línea de Retorno de
vapores de propano de 6”
PL-5030-AA1
PL-5031-BA1
PL-5032-BA1
PL-5044-BA1
PL-5055-BA1
PL-5056-BA1
PL-5058-BA1
PL-5067-BA1
PG-5001-BA1
PG-5007-BA1
PG-5008-BA1
PG-5009-BA1
PG-5010-BA1
Fuente: Investigador
3.5 Instrumentos de análisis
“…para el análisis de datos, se requiere de instrumentos de análisis, los
cuales se utilizan para el estudio cuidadoso de medidas, pruebas o técnicas
estadísticas, con el fin de determinar la más convenientes en una investigación en
particular”. Morlés (1994).
La simulación de procesos puede definirse como una técnica para evaluar en forma rápida un proceso con base a una representación del mismo, mediantes modelos matemáticos. La solución de éstos se lleva a cabo por medio de programas de computadoras y permite tener un mejor conocimiento del comportamiento de dicho proceso.
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57
La simulación de procesos químicos es una herramienta moderna que se ha hecho indispensable para la solución adecuada de los problemas de procesos, permitiendo efectuar análisis de plantas químicas en operación. Martínez, Dávila, Toledo (2006).
En los últimos tiempos se ha desarrollado una gran variedad de paquetes
informáticos para resolver numéricamente sistemas de ecuaciones que se
plantean en problemas de modelado en ingeniería, los cuales según Scenna:
Los sistemas a resolver durante la tarea de modelado o simulaciones son muy diversos. Por ejemplo, todo problema de diseño se caracteriza, entre muchos aspectos, por la necesidad de seleccionar una opción óptima de entre el número de alternativas posibles. Esto implica, por un lado, la necesidad de dominar métodos matemáticos para optimizar una función objetivo, por lo general fuertemente no lineal, con restricciones de todo tipo (desigualdades e igualdades, generalmente no lineales), con variables continuas (reales) o discontinuas (enteras), y por supuesto de muy elevada dimensión. Por otra parte, será necesario comprender conceptualmente algunos de los métodos formales, para generar las alternativas estructurales posibles para un diseño dado y seleccionar una de acuerdo con ciertos criterios de óptimo impuestos por el diseñador. Scenna (1999).
Por lo anteriormente descrito, el presente trabajo especial de grado no hizo
caso omiso a la afirmación, ya que para las respectivas evaluaciones hidráulicas
y del proceso, planteados en sus objetivos específicos, se utilizaron dos
simuladores de procesos reconocidos en el mundo de la industria petrolera,
cumpliendo de esta forma con el segundo y tercer objetivo. Para ello se
emplearon dos simuladores en específico, el HYSYS versión 3.2 y PIPEPHASE
versión 9.1.
3.5.1 Hysys:
Es una herramienta que proporciona una simulación de un sistema del cual
se conocen los parámetros que lo describen. Por lo tanto es importante destacar
que si bien se lo utiliza como herramienta de diseño, probando varias
configuraciones del sistema para optimizarlo, es el ingeniero quien efectúa el
diseño, al comparar los resultados de cada simulación. Por otro lado, los
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58
resultados de una simulación no son siempre fiables y estos se deben analizar
críticamente, ya que los mismos dependen de la calidad de los datos de entrada,
que las correlaciones de las propiedades termodinámicas utilizadas sean las
apropiadas, y de la adecuada elección de los niveles de complejidad o hipótesis
adoptadas al seleccionar cada equipo/modulo en el diagrama de flujo de
información (módulo en el simulador) versus la planta real.
3.5.1.1 Arquitectura Básica de HYSYS
Arquitectura Multi-Flowsheet: El concepto de Fowsheets y Sub-Flosheets.
HYSYS proporciona un método flexible e intuitivo que permite:
Descomponer un proceso complejo en procesos menores con
componentes más concisos.
Simular cada unidad del proceso en forma independiente del proceso
completo, pero ligado a él, construyendo un sub-flowsheet con sus corrientes y
operaciones unitarias accesorias.
Usar paquetes termodinámicos independientes para cada flowsheet.
• El concepto de Medio Ambiente (Environment).
HYSYS Environments, permite acceder e ingresar información en una cierta
y determinada área o “Medio ambiente” del programa, mientras que las otras
áreas están en modo hold (“esperando”) hasta que se finalice la tarea en el área
de interés. Hay 5 Environments:
Basis: (se crean, definen y modifican los Paquetes de Fluidos a ser
utilizados incluyen, como mínimo, el paquete de propiedades y los componentes).
Oil Characterization: (se caracterizan cortes de petróleo).
Main Flowsheet: (se define mayoritariamente la topología del flowsheet
principal).
Sub-Flowsheet: (se define la topología del sub-flowsheet).
Column: (se define la topología de una particular Columna Sub-Flowsheet).
• Herramientas
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Cálculos interactivos y acceso instantáneo de la información:
Inteligencia incorporada al programa que le permite conocer cuando la
información disponible es deficiente parra efectuar un cálculo y corregir los
cálculos flash en forma automática.
Operación modular:
Todas las operaciones unitarias y/o corrientes pueden realizar todos los
cálculos siempre que se especifique la información mínima necesaria en cada
caso o la misma se transmita a través de las corrientes ligadas. La información,
completa o parcial, se transmite en forma bi-direccional.
Algoritmos de solución No Secuenciales:
Ellos operan en forma independiente del orden en que se construye el
flowsheet.
Elementos de Interfase Primarios:
Formas alternativas para acceder e ingresar información del proceso a
HYSYS.
El Diagrama de Flujo de Proceso (The Process Flow Diagram -PFD-)
Workbook.
3.5.1.2 Creación de un nuevo caso en HYSYS
Para comenzar a crear un caso de HYSYS se debe presionar el botón ( )
“New Case”, a continuación aparece la ventana “Simulation Basis Manager” en
donde se deben seleccionar los componentes, paquetes de propiedades,
reacciones químicas y demás características del caso a simular.
1- Ingreso de componentes
Para seleccionar los componentes, en la pestaña “Components” se debe
presionar “Add”, luego de lo cual aparece una nueva ventana que permite buscar
componentes dentro de una librería de compuestos ya almacenados “Tradicional”,
ya contenidos en HYSYS, “Hipothetical”, creados y definidos por el usuario y
“Other”.
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Dentro de la opción “Tradicional” se puede observar, desplegada en la parte
derecha de la pantalla, la tabla “Components Available in the Component Library”
que contiene un listado de los compuestos que posee almacenado HYSYS en su
base de datos.
La búsqueda de los compuestos se puede realizar según varios criterios
(por ejemplo nombre o fórmula) colocando parte de la expresión en la casilla
“Match”. Luego deben ser agregados al listado de componentes presionando el
botón “Add Pure” o realizando doble clic sobre el compuesto.
Si se desea reducir el espectro sobre el cual se realiza la búsqueda, se
puede utilizar el botón “View Filtres”, el cual permite seleccionar una familia de
compuestos (función química) o seleccionar elementos que sean compatibles con
la utilización de cierto paquete de propiedades.
En la parte inferior de la ventana aparece la casilla “Name”, la cual permite
el ingreso de un nuevo nombre a la serie de componentes seleccionados. Por
defecto ya posee un nombre asignado
Nota:
La base de datos de compuestos incorporada en HYSYS es muy grande,
pero como es un simulador muy orientado a la industria petroquímica, es difícil
encontrar componentes de otro tipo de industrias, como por ejemplo los sulfatos,
óxidos y demás componentes inorgánicos en solución.
Las últimas versiones de HYSYS incluyen el paquete de electrolitos, lo que
permite incluir tales sustancias y por lo tanto, variar las propiedades coligativas de
la mezcla.
También es posible incluir componentes que no estén en la base de datos,
ingresando algunos de sus parámetros característicos.
2- Selección del paquete de propiedades para los fluidos
A continuación en la pestaña “Fluid Pkgs”, presionar “Add” para que se
despliegue una nueva ventana, la cual permitirá seleccionar un paquete de
propiedades de los fluidos acorde a las características del sistema formado por los
componentes anteriormente seleccionados.
DERECHOS RESERVADOS
61
Este paso es muy importante, ya que definirá la base de la simulación. Si se
tiene una buena base, se tendrá una buena simulación, pero si se introduce un
error desde el principio, éste se agravará con el desarrollo de la simulación.
Este caso al ser muy sencillo (mezcla con comportamiento ideal) no
requiere la definición de ningún otro parámetro en esta etapa, por lo cual,
presionando el botón “Enter Simulation Environment” se ingresa a una interfase
que permite crear el diagrama de flujo del proceso (Process Flow Diagram, “PFD”)
y comenzar con la simulación.
En otros casos puede ser necesario definir los coeficientes binarios de los
pares de los diversos componentes, parámetros para las reacciones químicas,
etc., antes de cerrar la ventana “Fluid Package”.
Cabe destacar que en ésta etapa deben definirse los modelos para el
cálculo de las entalpías y demás propiedades.
3- El ambiente de simulación
La función “F4” permite visualizar u ocultar la paleta de operaciones
unitarias.
La paleta se puede dividir en cuatro secciones:
• Corrientes: Materia y Energía.
• Equipos de separación de fases, presión, transferencia de calor y reactores.
• Equipos de transferencia de masa (destilación, absorción…).
Operaciones lógicas.
4- Selección de un Sistema de Unidades
El sistema de unidades predeterminado en HYSYS es el SI, pero es posible
cambiar el sistema de unidades usado para exteriorizar las diferentes variables.
Para esto del menú “Tools”, seleccione “Preferentes”. Luego cambie a la pestaña
“variables”, y a continuación vaya a la opción dentro de “Variables” que se llama
“Units”; aquí se puede seleccionar el sistema deseado.
Una alternativa es crear uno nuevo con el conjunto de unidades adecuadas
para mostrar las variables. Para ello seleccionar la pestaña “Simulation”, luego
presionar “Tool Tips” y a continuación seleccionar “User Defined Unit Set”.
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Pasar a la pestaña “Variables”, y al seleccionar “Units” aparecen los
sistemas de unidades (Por ejemplo, la unidad por defecto para la presión es kPa.
Y se desea cambiar a atm.). Para crear el nuevo conjunto presionar el botón
“Clone”. “NewUser” aparecerá resaltado en azul en “Unit Set Name” (este es el
nombre que asigna por defecto HYSYS al nuevo set de unidades); para cambiarlo
se debe ingresar el nombre a asignar al set de unidades en esta casilla y al hacer
Enter se actualiza el nombre en el campo “Available Unit Sets”. A continuación se
pueden modificar las unidades asignadas a cada variable. Por ejemplo al
seleccionar la celda “Pressure” y al hacer click en kPa se abre una lista
desplegable de las unidades disponibles, de la cual se selecciona atm, haciendo
clic. Una vez definido el nuevo conjunto de unidades se debe presionar el botón
“Close” y se regresa al entorno de simulación.
Para guardar el sistema de unidades definido presionar “Save Preference
Set”. Para cargar este sistema en un trabajo cualquiera “Load Unit Set”. Luego
cierre esta ventana haciendo clic en para volver a la simulación.
5- Definición de las corrientes
Para comenzar con al creación del diagrama de flujo, se inserta una
corriente (“Material Stream”). Para realizar esto, de la paleta de operaciones
unitarias, se selecciona la flecha azul y luego se hace clic con el mouse en el lugar
en donde se quiere colocar dicha corriente.
Realizando doble clic sobre la corriente se ingresa a una tabla en donde se
pueden definir sus propiedades.
Una vez que la corriente está adecuadamente definida, la barra de estado
(coloreada originalmente de amarillo), que se encuentra en la parte inferior de la
tabla, se vuelve color verde y con al leyenda “OK”. Todas las operaciones que
presentan barra de estado obedecen al mismo criterio. Los valores que se
encuentran en azul son los que fueron ingresados por el usuario y se pueden
modificar. Los valores en negro son calculados por HYSYS y no pueden ser
modificados. Las casillas con texto en rojo son de uso optativo por el usuario
(poseen un valor calculado por defecto).
DERECHOS RESERVADOS
63
Todos los componentes deben ser especificados en todas las corrientes
(aun en el caso de no estar presentes algunos de ellos se les debe asignar el valor
cero a su composición). Para realizar esto presionar en la leyenda “Composition”,
luego de lo cual aparece una nueva ventana la cual contiene un listado de todos
los componentes disponibles para esta simulación. En HYSYS se puede
seleccionar la base para definir las composiciones haciendo clic en la opción
“Basis”, apareciendo la siguiente ventana con opciones:
Si se desea definir una corriente exactamente igual a otra ya definida, se
utiliza el botón “Define from Other Stream” el cual despliega una nueva ventana en
donde se selecciona la corriente creada anteriormente del listado de todas las
disponibles. Luego de este paso la nueva corriente queda totalmente definida.
Se puede observar que las corrientes una vez definidas convierten su color
de celeste a azul. Godoy, Rodríguez, Biscotti (2008).
3.5.2 Pipephase:
Este manual describe el alcance, objetivos, aplicaciones y capacidades de
Pipephase. Introduce los conceptos utilizados en la tubería, análisis de red y
describe cómo pipephase los aborda.
3.5.2.1 Alcance y objetivos de pipephase
Pipephase es un programa de simulación que predice el estado de
equilibrio presión, temperatura y perfiles de atraco líquido en pozos, tuberías,
sistemas de recopilación y otro lineal o configuraciones de red de tuberías, pozos,
bombas, compresores, separadores y otras instalaciones. Los tipos de líquido que
puede manejar pipephase incluyen líquidos, gas, vapor y multifase, mezclas de
gas y líquido.
También se han diseñado varias capacidades especiales en pipephase
incluyendo buenos análisis con rendimiento de entrada; análisis de gas;
Gasoducto; y análisis de sensibilidad. Estas adiciones amplían el alcance de la
DERECHOS RESERVADOS
64
aplicación de pipephase para que toda la gama de problemas de red de ductos y
tuberías pueda resolverse.
3.5.2.2 Funcionalidad de pipephase
Puede utilizarse para simular una o varias fases, flujo mediante cualquier
combinación de tuberías, canales, tubos, accesorios y equipos de proceso. Las
tuberías y canales se utilizan normalmente para el modelado de tuberías para
simular flujo en pozos.
Utiliza correlaciones incorporadas para determinar todos los datos de
propiedades físicas que el programa requiere para cálculos de transferencia de
calor y la caída de presión.
• Modos de cálculo
Se puede utilizar para diseñar sistemas nuevos o ya existentes de
calificación. Cualquier topología de tuberías puede abordarse, desde un único
enlace simple de dispositivos de flujo a la más compleja red de oleoductos y
pozos, incluyendo múltiples entradas y salidas y cualquier grado de unión. En las
configuraciones de red, puede resolver casi cualquier combinación de presiones y
caudal y pipephase resolverá para todas las incógnitas restantes. Capacidades en
línea, efectos de transferencia de calor, efectos de Joule-Thomson, en-línea
patrones de flujo, vapor y velocidades de líquido y división de fase preferencial en
camisetas de vapor con toda precisión están determinados sistemas
Pipephase resuelve caídas de presión y balance de energía de ecuaciones,
mientras simultáneamente realiza cálculos de transferencia de calor riguroso.
Puede elegir entre más de veinte correlaciones estándar para predecir la caída de
presión y atraco de líquido.
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65
3.5.2.3 Diseño típico de nuevas aplicaciones de pipephase
Los nuevos diseños y el análisis de las aplicaciones de sistema existentes
son posibles con pipephase Para los nuevos sistemas, pipephase puede utilizarse
para cambiar el tamaño de las tuberías y tubos, para determinar la energía que
requieren compresor/bomba, calefacción y refrigeración, puede predecir la
presión, temperatura, velocidad, atraco líquido caudal y distribuciones de patrón
en todo el sistema de flujo.
Desde el embalse a las instalaciones de separación o tuberías de
transmisión, pueden ser analizados mediante pipephase. Para pozos, puede
modelar rendimiento de entrada, pases, flujo de tubos, difusor, bombas
sumergibles y elevaciones de gas. Para las tuberías y líneas principales, puede
modelar tubos, canales, difusor, separadores, bombas, compresores, calentadores
y refrigeradores. La interacción entre las líneas de superficies y las cadenas bien
se modelan con las ecuaciones de masa y presión de red adecuada. Cada línea
de la red, tanto en superficie y en interior del pozo, están sujetos a las relaciones
de equilibrio de calor para que puedan preverse temperaturas que fluyen. Una
nueva recopilación de sistemas puede diseñarse para máxima eficacia y pueden
ser renovados sistemas antiguos. Los efectos de la evolución de las condiciones
de separador o tamaño, por ejemplo, pueden fácilmente ser estudiados mediante
análisis de caso de estudio de la línea de flujo.
3.5.2.4 Análisis de elevaciones de gas a presión
Pipephase tiene opciones de elevaciones de gas. Puede analizar el
rendimiento de pozos que se encuentran en las elevaciones de gas maximizar la
recuperación de petróleo mediante nueva elevaciones y determinar qué válvulas
requeridas para las elevaciones de gas por presión, estas deben activarse para un
esquema de producción especificado. Esto permite estudiar cada producción en el
campo bajo la vida del embalse. Puede determinar que los pozos son candidatos
para elevaciones de gas a presión.
DERECHOS RESERVADOS
66
3.4.2.5 Propiedades de líquido tipos
Son siete tipos de fluidos modelados en pipephase:
●Compositional
●Compositional Blackoil
●Non-composición:
●Blackoil
●Gas de condensado
●Gas
●Steam
●Liquid
El tipo de fluido controla, cómo el programa es capaz de obtener las
propiedades físicas necesarias para cálculos de transferencia de calor y la caída
de presión desde la base de datos pipephase, de correlaciones empíricas
integrados o de entrada proporcionados por el usuario. El vapor es un caso
especial de un fluido del tipo non-compositional, para el cual pipephase utiliza las
tablas de vapor GPSA.
Los compositional fluid: se definen como las mezclas de componentes
químicos con una composición conocida. Para composiciones de líquidos,
pipephase calculará la División de fase siempre prevalece líquido de proceso
condiciones de demanda. Sin embargo, se puede indicar pipephase asumir el
líquido es una fase en todo momento, reduciendo así el tiempo el programa tarda
en resolver por omitir el cálculo de vapor-líquido equilibrio (flash). Blackoil
composición permite entrada de composición selectiva de análisis de blackoil y
reporting. Líquidos y gases no composición son monofásicos. Blackoil es un
modelo de dos fases, dominado por el líquido. Gas condensado es un modelo de
DERECHOS RESERVADOS
67
dos fases, dominado por el gas. El vapor es un solo componente, el modelo de
dos fases. Las condiciones de fluidos líquidos y flujos de sistemas de tuberías en
fuentes de entrada, salen en sumideros. Podrán introducir líquidos con diferentes
propiedades de fuentes diferentes, pero todos deben ser del mismo tipo.
Handbook Pipephase (2001).
3.6 Fases de la investigación
Luego de realizar una extensa documentación y haber adquirido los
conocimientos necesarios con respectos al tema tratado, se precedió a realizar un
análisis, haciendo uso de la técnica de observación directa no estructurada, de la
situación actual de la sección llenadero de camiones para tener una mejor visión
de los que sucedía realmente, emprendiendo de esta forma cada una de la fases
que permitieron posteriormente cumplir todos los objetivos señalados en el
presente trabajo especial de grado.
Fase I. Identificar mediante un levantamiento, los sistemas existentes del
llenadero, en ULE.
Como se describió anteriormente por medio de una inspección visual y
visitas de campo se realizó un levantamiento de toda el área de almacenamiento y
despacho del propano al mercado interno en ULÉ, iniciando en los tanques de
almacenaje donde se especificó la distribución de los cabezales principales de
propano manejados por cada unos de ellos, orientados hacia las islas donde
posteriormente concurren los camiones para su respectivo llenado. Del mismo
modo se identificó la línea que será evaluada para la recuperación de vapores, Se
tomó en cuenta la ubicación e identificación de cada uno de los equipos
involucrados en el sistema (tanques, bombas y válvulas), tuberías con sus
pertinentes diámetros y schedules y la dirección del recorrido del fluido.
DERECHOS RESERVADOS
68
Luego de realizar el recorrido por toda la extensión de la sección llenadero
de camiones ULÉ, se revisaron todos los diagramas de instrumentación (P&ID),
tubería (DTI), y flujo (PFD), lo que permitió determinar algunas condiciones y
aspecto importantes para el diseño propuesto.
Una vez realizado todo el trabajo del levantamiento de los sistemas
existentes en el llenadero, se procedió a plasmar toda la información obtenida en
el campo. En la Tabla 1 los equipos, en la Tabla 2 las bombas y en la Tabla 3 las
líneas de tuberías, lo cual permitió ir construyendo a la documentación del diseño
de recuperación de vapores de propano presentado, contribuyendo al desarrollo
del cuarto objetivo planteado en la investigación y satisfaciendo cabalmente el
primero de ellos.
Fase II. Determinar los vapores de propano producidos en el llenadero.
Para establecer y tener un mejor concepto de la situación actual de la
sección de llenado de camiones, fue necesario realizar un balance de masa para
determinar las pérdidas de productos, representados como los vapores de
propano que son conducidos al mechurrio. Dichos vapores constituyeron un
aspecto importante para el desarrollo de la investigación, pues mediante su
cuantificación se determinó el caudal sobre el cual se diseñó la nueva línea con la
que se recuperarían los vapores mencionados.
Para la cuantificación de los vapores de propano inicialmente se necesitó
hacer uso de los instrumentos de análisis conocidos como simuladores, el primero
en utilizar fue Hysys en su versión 3.2, con el que se determinó la temperatura de
rocío de la mezcla, para ello se estructuró el paquete de simulación en donde se
especificaron los componentes y composiciones de la corriente de entrada fijando
la presión y la condición de vapor 100%, calculando dicha temperatura de manera
directa, la cual se utilizaría en la siguiente simulación.
DERECHOS RESERVADOS
69
Luego se utilizó el simulador Pipephase en su versión 9.1, el cual permitió
realizar los balances. A la temperatura de rocío de la mezcla se estimaron los
caudales y se fijaron las presiones en un rango de cinco en cinco, que fue desde
la presión mínima 1206587 Pa (175 Psig) hasta la presión máxima del proceso
1516852 Pa (220 Psig), esto se realizó para simular desde la mejor hasta la peor
condición que puede existir. Adjunto a ello se simulo el llenado de uno y cuatro
camiones respectivamente con distintos lapsos de llenado, todo esto con el fin de
determinar el caudal recuperado a los distintos tiempos que puede durar la carga
de los camiones.
Inicialmente se armo el paquete de simulación, donde se especificaron las
corrientes con sus respectivas composiciones, características y propiedades;
luego de ello se seleccionaron los diferentes equipos existentes y utilizados
actualmente en el llenadero, para finalmente conectarlos a las corrientes
mencionadas y correr posteriormente la simulación. Los resultados obtenidos
fueron consignados en la Tabla 4, Tabla 5, Tabla 6, Tabla 7, cada una de ellas
con sus respectivos gráficos para tener una mejor apreciación del caudal
recuperado para la carga de 1 y 4 camiones..
De esta forma se cumplió con el segundo objetivo específico del presente
trabajo especial de grado.
Fase III. Evaluar hidráulicamente la tubería existente de retorno de propano,
actualmente fuera de uso.
Inicialmente se planteo que existía una tubería fuera de uso, la cual fue
proporcionada para el desarrollo del diseño conceptual del sistema de
recuperación de vapores de propano.
Como en objetivos anteriores se determinó el caudal que se retornaría a los
tanques de almacenamiento inicial, se procedió a determinar la longitud existente
entre el lugar donde se encontraban los camiones hasta los mencionados tanques,
DERECHOS RESERVADOS
70
para esto su utilizo un odómetro como instrumento de medición sobre tierra y para
la medición subterránea, dichas longitudes se determinaron por medio de los
planos existentes de la sección, los cuales también sirvieron para visualizar los
accesorios.
Luego de tener la longitud y accesorios se procedió a evaluar
hidráulicamente la línea de recuperación de vapores, por medio del uso del
simulador Pipephase versión 9.1. Para lo cual inicialmente se armo el paquete de
simulación donde se especificó la corriente de vapor a retornar con su respectiva
composición, característica y propiedades. Se seleccionó la tubería donde se
especificó sus características, para posteriormente correr la simulación.
Finalmente se procedió a detallar el reporte de resultados que permitió
comparar los resultados con las normas de PDVSA N° 90616.1.024
“Dimensionamiento de Tuberías de Proceso”, para así determinar si era pertinente
el uso de la tubería propuesta. Cumpliendo de esta forma con el tercer objetivo del
estudio realizado.
Fase IV. Establecer la documentación de la ingeniería conceptual del sistema de
recuperación de vapores de propano.
Luego de determinar el caudal recuperado, evaluar y especificar
hidráulicamente la tubería de retorno donde se obtuvieron los resultados
esperados, se procedió a desarrollar la documentación, la cual se elaboró con los
resultados de los objetivos anteriores cumplidos satisfactoriamente.
Primero se elaboró el diagrama de flujo de proceso (PFD), con sus
respectivos balances de masas, luego se diseño la ruta de la tubería de retorno de
vapores con la ayuda de los tutores y la hoja de datos que contiene todas las
especificaciones la mencionada tubería.
DERECHOS RESERVADOS
CAPÍTULO IV ANÁLISIS Y RESULTADOS
4.1 Presentación de resultados.
Luego de culminar y cumplir con todos los objetivos trazados en el presente
trabajo especial de grado se procedió a presentar los resultados obtenidos en el.
Evidenciando de esta forma cada una de las mediciones tomadas y análisis
realizados con el fin de determinar todos los elementos necesarios para el
desarrollo del diseño conceptual de un sistema de recuperación de vapores de
propano del llenadero de camiones GLP-ULE.
Siguiendo cada una de las fases de la investigación estructuradas en el
capitulo anterior se muestran los resultados.
4.1.1 Fase I. Identificar mediante un levantamiento, los sistemas existentes del
llenadero, en ULE.
Las siguientes Tablas muestran los datos recolectados durante el levantamiento, tuberías de procesos y condiciones presentes en los equipos.
Tabla 4 Resultados de las condiciones en los recipientes de propano.
Fuente: Investigador
Recipientes de Propano
Diámetro
(pulgadas)
Longitud
(Pies)
Presión de
Diseño
(Psig)
Presión de
Operación
(Psig)
Temp de
Diseño
(ºF)
Temp, de
Operación
(ºF)
Capacidad
(BBLS)
Recipientes de
almacenamiento de
Propano D11 A/B/C
144
250
250
170
175
90
5000
Esfera de
Propano E - 1 405 ----- 250 170 120 90 5500
DERECHOS RESERVADOS
72
Tabla 5 Resultados de las condiciones en las bombas de propano.
Fuente: Investigador
Tabla 6 Resultados de las líneas de tuberías de propano.
Tuberías de Propano
Diámetro
(pulgadas)
Schedule
Material de
aislamiento
Longitud total de la
línea de Retorno de
vapores de propano de 6”
PL-5030-AA1 10 40 NI
750
PL-5031-BA1 8 40 NI
PL-5032-BA1 8 40 NI
PL-5044-BA1 6 40 NI
PL-5055-BA1 10 40 NI
PL-5056-BA1 10 40 NI
PL-5058-BA1 4 40 NI
PL-5067-BA1 3 40 NI
PG-5001-BA1 6 40 NI
PG-5007-BA1 2 40 NI
PG-5008-BA1 2 40 NI
PG-5009-BA1 2 40 NI
PG-5010-BA1 2 40 NI
Fuente: Investigador
Bombas de Propano Caudal (GPM) Potencia (HP) Presión máxima (Psig)
P20 A/B/C 750 150 253
DERECHOS RESERVADOS
73
4.1.2 Fase II. Determinar los vapores de propano producidos en el llenadero.
En esta fase se utilizaron los simuladores Pipephase 9.1 y Hysys 3.2, los
resultados fueron reportados en las siguientes Tablas con sus respectivas
graficas, tomando un rango de presiones desde 1206587 Pa (175 Psig) hasta
1516852 Pa (220 Psig) para calcular sus respectivos caudales, mostrándose
como Presión (Pa) vs Caudal (m3/hr) para una mejor visualización.
Tabla 7 Simulación Caudal Cuantificado con un Cisterna.
1 cisterna = Condición mínima
Q (m3/hr) P(Pa)
3609 1516852
3402 1482378
3181 1447904
2952 1413430
2709 1378956
2414 1344482
2082 1310008
1774 1275534
1426 1241060
743 1206587
Fuente: Investigador
DERECHOS RESERVADOS
74
Grafica 1 Simulación Caudal Cuantificado con un Cisterna.
Fuente: Investigador
La siguiente representa los valores que tendrá el caudal recuperado para el
llenado de 1 cisterna, en diferentes presiones, mostrando que a menor presión
habrá menos caudal recuperado y por ende, a mayor presión se recuperará mas
producto, partiendo por una condición mínima de presión de P = 1206587 Pa
teniendo como resultado un caudal de Q = 743 m3/hr hasta una presión de P =
1516852 Pa dando como resultado un caudal de Q = 3609 m3/hr.
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
3609 3402 3181 2952 2709 2414 2082 1774 1426 743
P (Pa)
Q (m3/h)DERECHOS RESERVADOS
75
Tabla 8 Simulación Caudal Cuantificado con cuatro Cisternas.
Fuente: Investigador
Grafica 2 Simulación Caudal Cuantificado con cuatro Cisterna.
Fuente: Investigador
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
3842 3630 3398 3158 2896 2580 2256 1920 1333 815
P (Pa)
Q (m3/h)
4 cisternas = Condición máxima
P(Pa) Q (m3/hr)
1516852 3842
1482378 3630
1447904 3398
1413430 3158
1378956 2896
1344482 2580
1310008 2256
1275534 1920
1241060 1333
1206587 815
DERECHOS RESERVADOS
76
La siguiente representa los valores que tendrá el caudal recuperado para el
llenado de cuatro cisternas, en diferentes presiones, donde se evidencia un
aumento de caudal debido a la cantidad de cisternas involucrados en su proceso
de carga; partiendo por una condición mínima de presión de P = 1206587 Pa
teniendo como resultado un caudal de Q = 815 m3/hr hasta una presión de P =
1516852 Pa dando como resultado un caudal de Q = 3842m3/hr.
Grafica 3 Caudal Cuantificado, comparación para uno y cuarto Cisterna.
Fuente: Investigador
Tabla 9 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos para la abertura de la
válvula, con 1 cisterna.
1 Cisterna = condición mínima
P(Pa) Tiempos para abertura de la válvula check
1.516.852 30 min 25 min 20 min 15 min
1.206.587 30 min 25 min 20 min 15 min
Fuente: Investigador
1200000
1250000
1300000
1350000
1400000
1450000
1500000
1550000
0 1000 2000 3000 4000
P (Pa)
Q (m3/h)
un Cisterna
cuatro Cisternas
DERECHOS RESERVADOS
77
}Grafica 4 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos de abertura de la
válvula. Para P=1.516.852 Pa.
Fuente: Investigador
Grafica 5 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos de abertura de la
válvula. Para P=1.206.587Pa.
Fuente: Investigador
15 20 25 301.516.852 Pa
0200.000400.000600.000800.000
1.000.0001.200.0001.400.0001.600.000
0 5 10 15 20 25 30
P (Pa)
Tiempo de abertura de la valvula (min)
15 min
20 min
25 min
30 min
15 20 25 301.206.587 Pa
0
200.000
400.000
600.000
800.000
1.000.000
1.200.000
1.400.000
0 5 10 15 20 25 30
P (Pa)
Tiempo de abertura de la valvula
15 min
20 min
25 min
30 min
DERECHOS RESERVADOS
78
Tabla 10 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos para la abertura de la
válvula, con cuatro cisternas.
4 Cisternas = condición máxima
P(Pa) Tiempos para abertura de la válvula check
1.516.852 60 min 50 min 40 min 30 min
1.206.587 60 min 50 min 40 min 30 min
Fuente: Investigador
Grafica 6 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos de abertura de la
válvula. Para P=1.516.852Pa.
Fuente: Investigador
0
30
0
40
0
50
0
601.516.852 Pa
0
200.000
400.000
600.000
800.000
1.000.000
1.200.000
1.400.000
1.600.000
0 20 40 60
P (Pa)
Tiempo de abertura de la valvula (min)
30 min
40 min
50 min
60 min
DERECHOS RESERVADOS
79
Grafica 7 Comportamiento de la mezcla a diferentes tiempos de abertura de la
válvula. Para P=1.206.587Pa.
Fuente: Investigador
Tomando como premisas, que 1 hora de carga equivalen a 4 cisternas
cargándose simultáneamente y que 30 minutos equivalen a la carga de 1 cisterna,
así como registros tomados por antecedentes revisados que representan el
comportamiento de la mezcla en los cisternas a ciertas presiones y tiempos, el
cual dan como resultado una estabilización de la presión a los 15 minutos de
carga para 1 cisterna, este comportamiento se debe a la despresurización que
ocurre al momento de pasar los 15 minutos y con esto se mantiene una presión
dentro de los niveles permitidos en el cisterna, dicho periodo se utilizará como
base para visualizar los posibles intervalos de tiempo al cual la válvula check
dejara pasar flujo hacia la línea de recuperación.
30 601.206.587 Pa
40 50
0
200.000
400.000
600.000
800.000
1.000.000
1.200.000
1.400.000
0 20 40 60
P (Pa)
Tiempo de abertura de la valvula (min)
30 min
40 min
50 min
60 min
DERECHOS RESERVADOS
80
4.1.3 Fase III. Evaluar hidráulicamente la tubería existente de retorno de propano,
actualmente fuera de uso.
En esta fase de la investigación se utilizó el simulador Pipephase, 9.1, en él
se analizaron los datos de gradientes de presión y velocidad del caudal
recuperado obtenidos en la simulación para la carga máxima de caudal con cuatro
cisternas, evaluándolo con la norma de PDVSA N° 90616.1.024
“Dimensionamiento de Tuberías de Proceso”, dichos resultados fueron reportados
en las siguiente tablas.
Tabla 11 Comportamiento del vapor en el paso de los diferentes diámetros de
tubería.
Fuente: Investigador
Presión Máxima de 220 psig
Diámetros
(pulg)
Velocidad
(pies/seg)
Gradiente de Presión
(Psi/100pies)
2 79,462 17
6 10,5315 1
3 37,467 2
6 9,58 1,43
2 87,89 19
DERECHOS RESERVADOS
81
Tabla 12 Comportamiento del vapor en el paso de los diferentes diámetros de
tubería.
Fuente: Investigador
Las presentes tablas estarán soportadas por la norma de PDVSA antes
mencionada. Tomando como valores a evaluar, las velocidades y gradientes de
presión.
Usando para las velocidades la siguiente ecuación:
Vmax Ecuación 8
Fuente: Norma de PDVSA N° 90616.1.024 “Dimensionamiento de Tuberías
de Proceso”,
Presión Mínima de 175 psig
Diámetros (pulg) Velocidad
(pies/seg)
Gradiente de Presión
(Psi/100pies)
2 18,04 1,18
6 2,395 1.36
3 8,464 0,15
6 2,13 1,36
2 19,55 1,41
DERECHOS RESERVADOS
82
Se realizó el cálculo de la del gas para una presión mínima y máxima de
175 y 220 Psig respectivamente, mediante el simulador HYSYS 3.2, especificando
los componentes, fijando la presión y una condición de vapor del 100% se logró
calcular la densidad másica del gas en (lb/pies3).
Para una presión Máxima de 220 Psig:.
100√2,271
66,36 /
Para una Presión Mínima de 175 Psig::
1001,795
74,64 /
Para los gradientes de presión se usó la siguiente tabla:
Tabla 13 Gases y Vapores (Caída de presión recomendada)
Caídas de Presión recomendadas
Servicio Caída de presión
(Psi/100 pies de tubería)
Líneas de transferencia 0,5 – 2
Fuente: Norma de PDVSA N° 90616.1.024 “Dimensionamiento de Tuberías de
Proceso”,
DERECHOS RESERVADOS
83
Dando como resultado en la Tabla 11 valores aceptados por la norma, para
las líneas de 6” y 3”, pero presentaron una desviación los tramos de 2 pulg,
teniendo como velocidad: 79,462 pies/seg y 87,89 pies /seg para los tramos inicial
y final, y gradientes de presión: 17 y 19 Psi/100pies para los tramos inicial y final
respectivamente en la condición máxima. Estos resultados podrían despreciarse
tomando en cuenta la corta distancia que estas presentan, y las condiciones tan
desfavorables a las que se les están exponiendo.
Para la Tabla 12 se presentaron resultados acordes a la norma, el cual
mostraron valores de velocidad y gradientes de presión, dentro de los rangos
recomendados, con excepción del tramo de tubería de 3” el cual presentó en el
valor de gradiente de presión: 0,15 Psi/100pies, dando muy bajo. Esta desviación
podría despreciarse tomando en cuenta que es un tramo sumamente corto y al
pasar a la línea de 6”, esta muestra una recuperación de presión que se
encuentra dentro de los rangos recomendados. Los resultados de esta tabla
podrían representar con una mejor exactitud el comportamiento que tendrá la
línea de recuperación de vapores, ya que posee una presión de 175 Psig, el cual
será la presión estimada a la cual se abrirá la válvula check para el paso de los
vapores a la línea de recuperación.
4.1.4 Fase IV. Establecer la documentación de la ingeniería conceptual del
sistema de recuperación de vapores de propano.
Dicha documentación consta de un diagrama de flujo de proceso (PFD),
balance de masas y ruta de la tubería de retorno de vapores, los cuales se
presentan en los anexos plasmados posteriormente.
DERECHOS RESERVADOS
84
CONCLUSIONES
• Se logró identificar los equipos presentes en el área de estudio y tramos de
tuberías que intervienen en el proceso para poder realizar la recolección de
datos requerida, y con esto identificar las variables mas importantes como son,
caudal, presión y temperatura.
• Se realizó un intervalo de presiones desde 1206587 Pa (175 Psig) hasta
1516852 Pa (220 Psig) para poder limitar el rango de caudales que puede
existir en la línea de recuperación de vapores.
• Al realizar la evaluación hidráulica, se obtuvieron pequeñas desviaciones en los
tramos de 2” al inicio y final de la línea, el cual se pudieron considerar
despreciables por su corta longitud a través de toda la tubería de recuperación.
Sin embargo hubo resultados muy favorables, encontrándose la línea principal
de 6” dentro de los rangos de velocidad y gradientes de presión presentados
por el Simulador Pipephase en su versión 9.1, soportados por la norma de
PDVSA N° 90616.1.024 “Dimensionamiento de Tuberías de Proceso”, para una
condición mínima de 1.206.587 Pa (175 Psig) y una máxima de 1.516.852 Pa
(220 Psig).
• Con los resultados obtenidos, se puede mencionar satisfactoriamente la
aprobación del sistema de recuperación de vapores del llenadero de camiones
de GLP-ULE, expresando de esta manera que esta línea puede ser utilizada
para la recuperación de los vapores que son enviados al mechurrio, dando con
este arreglo un sistema más eficiente para el despacho del mercado interno,
trayendo mayores ganancias para la empresa, además de esto, se tendrá una
DERECHOS RESERVADOS
85
disminución en las emisiones de producto que son venteados a la atmósfera,
evitando así la propagación de gases que ocasionan el efecto invernadero.
DERECHOS RESERVADOS
RECOMENDACIONES
• Mantener en la Planta de Ulé los planos actualizados de las secciones del
proceso para poder realizar con mayor precisión cualquier recolección de
datos que se requiera.
• Mantener limpias las áreas donde se encuentran las tuberías de proceso, ya
que esto asegura un seguimiento correcto del trayecto de la misma.
• Evaluar la instalación de un sistema de medición de flujo en la línea de carga
de los camiones, con el arranque del CCO, para tener una mayor apreciación
de los vapores que serán generados en el nuevo llenadero.
• Acondicionar la línea que se tomará para la instalación del sistema de
recuperación de vapores, ya que se evidenció la falta de mantenimiento de la
misma, el cual muestra una corrosión uniforme en uno de los tramos de la
tubería.
DERECHOS RESERVADOS
87
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Tamayo. “EL PROCESO DE LA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA”. Quinta
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Wade. “QUÍMICA ORGÁNICA”. Quinta edición, editorial Pearson
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Welty J.R., Wicks C.E., Wilson R. E.. “FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE MOMENTOS, CALOR Y MASA”. Editorial Limusa. (1999).
Página 123.
DERECHOS RESERVADOS
90
ANEXOS
Anexo 1 Ruta de la tubería de retorno de vapores
DERECHOS RESERVADOS
91
Anexo 2 PFD, retorno de vapores.
Anexo 3 Balance de masas
No Corrientes 2 5 6 7 14 15 16 17 19 Descripción Propano de
GLP-2 Propano de
GLP-2 a D11- A/B/C
Propano a succión de P-20 D/E
Propano a llenadero de
camiones
Mezcla de butanos a D-11 E/F
N-Butano de bloque II
Mezcla de butanos a P-31 C/D
Butanos hacia La Salina, AMUAY y mercado interno
Propano en llenadero de
camiones Condiciones
Fase Liquido Liquido Liquido Liquido Liquido Liquido Liquido Liquido Liquido Temperatura º F 99.3 99.3 99.3 121.8 120.2 120.0 120.0 122.8 100.9
Presión Psig 350.0 174.6 174.6 281.2 66.0 55.7 61.1 350.6 244.1 Flujo masico Lb/hr 73094.5 73094.5 73094.5 73094.5 39883.4 51205.9 91089.3 91089.3 73094.5
Flujo volumétrico
@60ºF, 1 ATM
BPD
9866.5
9866.5
9866.5
9866.5
4730.1
6001.4
10731.0
10731.0
9866.5
Densidad Lb/pie3 29.6 29.50 29.50 29.57 33.4 33.9 33.7 33.9 29.52 Viscosidad cP 0.089 0.089 0.089 0.088 0.132 0.134 0.34 0.133 0.088
DERECHOS RESERVADOS
92
Anexo 4 Simulación en PIPEPHASE de los caudales recuperados, para 1 y 4
cisternas.
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![tivenca transporte crudo pesado [Modo de compatibilidad] · PDF fileReferenciaReferencia:: Pipephase Pipephase 99..00,, KeywordKeyword Manual,Manual, FigureFigure 55..16 16 EmulsionEmulsion](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/5a707ee87f8b9a9d538c0c12/tivenca-transporte-crudo-pesado-modo-de-compatibilidadwwwoilproductionnetfilestivencatransportecrudopesadopdfpdf.jpg)
