Operaciones Unitarias II

GUIAS DE PRCTICA PETROLEO Cdigo de registro: RE-10-LAB-027-001 Versin 1.0 UNIVERSIDAD DEL VALLE

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

1

Prctica N 1

EVAPORACIN

1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO

Evaporacin

La evaporacin es un proceso de concentracin de soluciones diluidas en las que el

disolvente se elimina por ebullicin del mismo por calentamiento con diferentes

energas o por simple calentamiento en grandes superficies que permite la prdida del

solvente sin llegar a la ebullicin, por ejemplo mediante la energa solar. Normalmente

el disolvente universal que se remueve es agua pero en muchas industrias tambin se

evaporan otros solventes orgnicos.

El fin que se persigue con la evaporacin principalmente es la obtencin de un slido

de pureza adecuada a partir de soluciones como un proceso de separacin de otros

productos muy solubles o que facilite el transporte o almacenaje de dicho slido.

La formacin de cristales en una solucin exige la condicin de que se alcance un

estado de sobresaturacin ya sea por evaporacin enfriamiento o adicin de un

compuesto qumico. A medida que sube la temperatura normalmente se aleja de la

composicin de saturacin, como la solubilidad crece con la temperatura, en la mayora

de los casos, es necesario en muchos separar en caliente o esperar un enfriamiento.

Durante la evaporacin el sistema aumenta la concentracin hasta la saturacin y se

produce la cristalizacin pudindose calcular la cantidad de cristales en funcin de la

cantidad de agua evaporada.

Sc = E k

E = cantidad de agua evaporada

Sc = cantidad de componente que cristaliza

k = constante del sistema

Hay tres tipos principales de equipos de evaporacin utilizados en la industria:

a) Calderas

b) Evaporadores

Plantas de fuerza

Qumicos

c) Intercambiadores Vaporizadores



2

Re hervidores

Vaporizadores

Los procesos de evaporacin en plantas de fuerza se clasifican en cuatro entidades:

1. Evaporadores de agua de compensacin para alimentar a la caldera

2. Evaporadores de proceso para la produccin de agua purificada

3. Evaporadores transformadores de calor

4. Destiladores de salmuera

El propsito principal de la mayora de los evaporadores en las plantas de fuerza, es la

separacin de agua pura a partir de agua cruda o tratada. Las impurezas se retiran

continuamente del sistema mediante la purga.

Los evaporadores qumicos se clasifican en dos grupos: de circulacin natural y de

circulacin forzada. Los evaporadores de circulacin natural se usan unitariamente o

en efecto mltiples para los requerimientos ms simples de evaporacin. Los

evaporadores de circulacin forzada se usan para lquidos viscosos, para los que

forman sales, y las soluciones que tienden a incrustarse.

Un evaporador puede ser operado de forma intermitente (las operaciones de llenado,

evaporacin y vaciado se ejecutan en pasos sucesivos), semi- intermitente (la

alimentacin se lleva a cabo en forma continua, pero la descarga se efecta hasta que

alcanza la concentracin final), de forma continua- intermitente (la alimentacin es

continua y, en ciertas partes del ciclo, la descarga tambin es continua) y, finalmente,

tambin se pueden operar en continuo, en cuyo caso la alimentacin y la descarga son

continuas, permaneciendo la concentracin de la alimentacin y del producto

prcticamente constante.

En el caso de la prctica tenemos un evaporador de simple efecto, que opera de forma

discontinua o intermitente, por lotes.

2. COMPETENCIAS

El alumno aplica las ecuaciones de clculo para evaporadores en un proceso de

concentracin de un producto en un evaporador de simple efecto y discontinuo por

lotes.

El alumno calcula el balance de masa en el proceso y el balance de energa en el

proceso.

El alumno debe extrapolar con los datos de la prctica a condiciones industriales.



3

3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS

3.1 Equipos y materiales

- 1 olla de 10 L de capacidad

- 1 balanza

- 1 cocina con garrafa con GLP

- 1 vaso de precipitacin de 2 L

- 1 vaso de precipitacin de 600 ml.

- 1 esptula o cuchara de madera

- 1 piseta

- 1 termmetro escala (0 -100) C

- 1 cronometro

- 1 embudo Buchner

- 1 kitasatos

- 1 bomba de vacio

- Papel filtro

- 2 Probetas de 1 L.

- 1 Tijera

3.2 Reactivos

- Cloruro de sodio

- Agua

4. TECNICA O PROCEDIMIENTO

Se determina la cantidad de agua evaporada y la cantidad de sal obtenida en un

determinado tiempo de calentamiento y evaporacin utilizando un flujo constante de

GLP.

- Preparar una solucin de NaCl de concentracin conocida pesando 1500 g de

sal y disolviendo en 4 L de agua, usando una olla de acero inoxidable.

- Pesar la solucin preparada

- Calentar y evaporar durante 1 hora usando la cocina a gas y medir la

temperatura al inicio y al final.

- Esperar que la mezcla enfri hasta el da siguiente, medir la temperatura y

luego pesar todo el producto (salmuera y cristales).

- Realizar la separacin del precipitado por filtracin al vaco.



4

- Pesar el precipitado antes y despus de secar si se cuenta con un horno de

secado en caso contrario pesar el precipitado hmedo.

- Pesar la salmuera filtrada y medir su volumen con un cilindro graduado.

Completar los datos de la tabla para la elaboracin de los clculos.

5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA

Tiempo estimado de duracin de la prctica 100 min.

6. MEDICIN, CLCULOS Y GRFICOS

Llenar la tabla con los datos y los clculos realizados de la prctica.

Tabla 1

DATOS VALOR UNIDAD

Masa inicial de agua

Masa inicial de sal

Masa de la solucin

Temperatura inicial

Temperatura final

Masa final total

Masa del precipitado

Masa de la salmuera

Flujo de gas utilizado

Tabla 2

VARIABLE FORMULA RESULTADO UNIDAD

Composicin Inicial:

Composicin Final:

Calor cedido por el combustible:

Flujo de vapor eliminado:

Relacin de vapor eliminado Vs flujo de gas consumido:



5

6.1 Determinar la composicin en % de la solucin preparada.

6.2 Con la masa final del producto tanto de la salmuera como de los cristales, aplicar

el balance de masa para determinar la composicin de la salmuera obtenida

despus de la evaporacin.

6.3 En funcin al tiempo de evaporacin y el poder calorfico del GLP determinar la

cantidad de calor cedido por el combustible en el proceso.

6.4 Realizar un balance de energa para determinar el flujo de vapor de agua

eliminado.

6.5 Determinar la relacin de vapor eliminado Vs el flujo de gas consumido para

extrapolar los resultados a condiciones industriales.

6.6 Completar los datos de la tabla anterior que contenga los resultados calculados.

7. CUESTIONARIO

7.1 Cules son las formas y los tipos de evaporacin, de la operacin unitaria?

7.2 Qu variables se pueden controlar en un proceso de evaporacin y con cual

finalidad?

7.3 Cundo se recomienda trabajar en un proceso de evaporacin al vaco?

7.4 En una planta para la produccin de sal, de grado alimentario se trabaja con

una solucin de NaCl al 3%, esta solucin se evapora hasta alcanzar el 15%

en un evaporador simple. El calor especfico de la alimentacin es de 0.98

Btu/lb F, el de la solucin al 15 % es de 0.90 Btu/lb F. La temperatura de

alimentacin es de 70 F, el punto de ebullicin del evaporador es de 220 F. Se

requieren 970 Btu para evaporar 1 lb de agua de la solucin hirviendo. El vapor

de calefaccin cede solamente su calor latente de vaporizacin que es de 946

btu/lb.

Se pide calcular:

a) Cuantas libras de vapor/ hora se requieren para alimentar 100 lb/h de

salmuera?

b) Modifique las condiciones de alimentacin y concentracin de salida

para el diseo de este equipo y determine cuantas libras de vapor se

requieren para estas nuevas condiciones?



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Prctica N 2

DESTILACIN ATMOSFRICA DE HIDROCARUROS

1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO

La destilacin es una operacin unitaria en la cual se produce la vaporizacin de un

material por la aplicacin de calor; es mtodo empleado en diferentes industrias, a

pequea, mediana y gran escala, para llevar a cabo separaciones parciales de los

componentes ms voltiles de mezclas de lquidos miscibles.

El objetivo de la destilacin Atmosfrica es extraer los hidrocarburos presentes

naturalmente en el crudo por destilacin, sin afectar la estructura molecular de los

componentes.

La destilacin del crudo, se basa en la transferencia de masa entre las fases liquido -

vapor de una mezcla de hidrocarburos.

La destilacin permite la separacin de los componentes de una mezcla de

hidrocarburos, como lo es el petrleo, en funcin de sus temperaturas de ebullicin.

Para que se produzca la "separacin o fraccionamiento" de los cortes, se debe

alcanzar el equilibrio entre las fases lquido-vapor, ya que de esta manera los

componentes ms livianos o de menor peso molecular se concentran en la fase vapor

y por el contrario los de mayor peso molecular predominan en la fase liquida, en

definitiva se aprovecha las diferencias de volatilidad de los hidrocarburos.

El equilibrio liquido-vapor, depende principalmente de los parmetros termodinmicos,

presin y temperatura del sistema. Las unidades se disean para que se produzcan

estos equilibrios en forma controlada y durante el tiempo necesario para obtener los

combustibles especificados.

Variables del Proceso

Los paramentos termodinmicos que gobiernan la destilacin son la temperatura y

presin del sistema, por tal motivo consideramos como variables del proceso todas

aquellas que puedan afectar el equilibrio entre las fases vapor-liquido.

Factores de Proceso



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Temperatura de

Transferencia

Esta es la mxima temperatura a la que se eleva

el crudo para vaporizarlo, el rendimiento en

destilados depende de esta variable.

Presin de trabajo

Es la presin a la cual se produce la operacin.

Si bien afecta directamente el equilibrio liquido-

vapor, generalmente se trabaja a la menor

presin posible, y por ende no se varia

frecuentemente.

Temperatura de cabeza

Es la temperatura en la zona superior de la

columna fraccionadora, se controla con el

reflujo de cabeza, este reflujo es la fuente fra

que genera la corriente de lquidos que se

contactan con los vapores, producindose los

equilibrios liquido-vapor.

Temperatura del corte

Es la temperatura a la cual se realiza la

extraccin lateral de un combustible. Esta

temperatura es controlada con el reflujo de

cabeza y reflujos circulantes. Estos ltimos

tienen un efecto semejante que el reflujo de

cabeza y adems precalientan el crudo,

recuperando energa

Normalmente, la mezcla lquida es cargada en lotes a un recipiente y sometida a

ebullicin. Los vapores que se desprenden continuamente, se condensan y se

recolectan con o sin retorno al recipiente en donde se lleva a cabo la separacin y

ebullicin de la mezcla.

Equilibrio de Fases

Para que dos fases se encuentren en equilibrio es necesario que no exista ninguna

tendencia de la energa o de la materia a cruzar la interface que separa las mismas.

Por tanto, la transferencia de materia o energa entre fases es un proceso reversible.

Las condiciones para que exista equilibrio son:

1. Que no haya transferencia neta de calor entre las fases

2. Que no exista desplazamiento del lmite entre las fases



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3. Que la transferencia neta de materia entre las fases sea considerada nula

Para que se cumplan las dos primeras condiciones se requiere que la presin y la

temperatura para cada fase sean constantes. Para cumplir la tercera situacin se

introdujo el concepto de potencial qumico, como la fuerza impulsora para la

transferencia de masa. Entonces, el equilibrio de fases se da cuando el potencial

qumico para cada componente es igual en cada fase.

Debido a que el potencial qumico no tiene significado fsico se utiliza la funcin

fugacidad, propuesta por G. N. Lewis, que se define como la tendencia que tiene un

componente a escapar de una mezcla.

Para determinar el equilibrio lquido-vapor de una mezcla se tienen diferentes mtodos:

1. Determinacin experimental

2. Aproximar el comportamiento de las fases al ideal

3. Determinar los datos de equilibrio a partir de unos pocos datos experimentales y

ecuaciones empricas.

4. Estimar el equilibrio utilizando las propiedades fsicas de los componentes puros y

relaciones empricas.

Diagramas de fases

Los diagramas de fases son utilizados para describir el comportamiento del equilibrio

lquido- vapor, en estos diagramas se grafican dos de las siguientes variables:

Composicin

Presin

Temperatura

Entalpa

Para mezclas binarias la tercera variable independiente se deja constante. Las curvas

ms empleadas son las de temperatura-composicin, presin-composicin, entalpa

composicin y composicin en la fase vapor-composicin en la fase lquida. La

siguiente figura indica el Diagrama de fases de una mezcla de gasolina en funcin de

la composicin de lquido y la composicin del vapor.



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Diseo de Columnas de Destilacin.

Mtodo de McCabe-Thiele.

La destilacin fraccionada con reflujo se puede definir bsicamente como la

combinacin de una serie de separaciones por vaporizacin instantnea, de forma que

los vapores y lquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. A cada etapa entra una

corriente de vapor y una de lquido que al ponerse en contacto entran en equilibrio, por

ende, las corrientes que salen de esta etapa se encuentra en equilibrio a la

temperatura de la etapa. Este esquema de trabajo se utiliza cuando la volatilidad

relativa de los componentes es comparable.

En la figura se ilustra el esquema bsico de una columna de fraccionamiento continuo

con secciones de enriquecimiento y agotamiento.

El mtodo McCabe-Thiele es un algoritmo grfico que permite determinar el nmero de

platos o etapas tericas necesarios para la separacin de una mezcla binaria. Este

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Yi, O

ctan

o

Xi, Octano

DIAGRAMA DE FASES DE MEZCLA C8 - C9



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procedimiento emplea la curva de equilibrio xy y algunos balances de materia para

determinar las lneas de operacin de cada seccin de la torre.

Una etapa terica en un dispositivo de destilacin cumple las siguientes condiciones:

1. Trabaja en estado estable, generando un producto en fase lquida y otro en fase

vapor.

2. Las corrientes de vapor y de lquido que ingresan a cada etapa se encuentran

perfectamente mezcladas.

3. La corriente de vapor y lquido que salen de la etapa se encuentran en equilibrio

de fases.

La principal suposicin que se toma en el mtodo McCabe-Thiele es el derrame

equimolar a travs de la torre, entre el plato superior y el de alimentacin, y el plato de

alimentacin el inferior. Esta suposicin se fundamenta en que las diferencias de los

calores sensibles de las cuatro corrientes que interactan en una etapa son

despreciables cuando los calores de disolucin son muy pequeos.

Por tanto, los calores latentes de las corrientes de vapor son importantes en el balance

de energa, tomando en cuenta que los calores de vaporizacin para compuestos

qumicamente similares son muy parecidos, los flujos de vapor son constantes a travs

de la torre as como tambin los flujos de lquido.

Para la siguiente figura, se tiene:



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Balance global: planteando un balance molar global de materia y otro por componente

en la columna se tiene:

Seccin de Enriquecimiento:



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En la figura se representa el esquema superior de la torre incluyendo las corrientes en

cada etapa. Los balances de materia global y por componente para la seccin

encerrada por la lnea punteada se definen:

La lnea de operacin para la seccin de enriquecimiento est determinada por la

variacin de la composicin de la fase vapor en trminos de la composicin en la fase

lquida, para hacer esto se despeja Y n+1 de la ecuacin:



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Empleando la suposicin de derrame equimolar para los flujos lquidos, L1 = L2 = LN, la

razn de reflujo se hace constante. Remplazando las ecuaciones se obtiene la lnea de

operacin para la seccin de rectificacin:

Seccin de agotamiento:

En la siguiente figura se muestra el esquema inferior de la torre. Para la zona

encerrada por la lnea punteada los balances de materia global y por componente

vienen dados por las ecuaciones:



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Despejando Y m+1 para obtener la lnea de operacin para la seccin de agotamiento

se tiene:

Balance para la Seccin de Alimentacin

El mtodo de McCabe-Thiele especifica el estado termodinmico de la alimentacin en

trminos del parmetro q, que se define como:

Los respectivos valores de q nos indican el valor de la pendiente de la curva

representada por la ecuacin, en la figura se presentan las condiciones tpicas de

alimentacin.

Luego:



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Algoritmo para Determinar el Nmero de Etapas Tericas

En una columna de destilacin, el nmero de etapas puede ser determinado

comenzado a marcar grficamente las etapas desde la composicin del destilado o la

de los fondos.

El procedimiento para el clculo de las etapas tericas necesarias para una separacin

dada es:

1. Construir el diagrama de equilibrio x-y.

2. Escoger o calcular la relacin de reflujo.

3. Localizar la composicin de alimentacin ZF sobre la diagonal y = x. La

lnea q, que define la condicin de alimentacin, puede ser determinada

conociendo las propiedades termodinmicas de la corriente de alimentacin

o suponiendo un estado de saturacin.

4. Localizar la composicin del destilado XD deseada sobre la diagonal de 45.

La curva de operacin para la seccin de enriquecimiento, bien sea

utilizando la ecuacin cualquiera de las dos ecuaciones, parte desde el

punto y = x = XD hasta el interseccin y = XD /(R + 1), en x = 0.

No obstante, la lnea de operacin se detiene cuando se cruza con la lnea

de alimentacin.



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5. Se localiza la composicin de los fondos Xw sobre la diagonal. La curva de

operacin para la seccin de agotamiento pasa por el punto y = x = Xw y por

la interseccin entre la lnea de operacin para la seccin de

enriquecimiento y la lnea q.

6. Se trazan las etapas tericas desde la cima hacia los fondos hasta alcanzar

la composicin deseada o una inferior.

2. COMPETENCIAS

El estudiante conoce las principales operaciones unitarias que se manejan en

un proceso de separacin de hidrocarburos.

El estudiante identifica los equipos bsicos de operacin, que forman parte de

una planta de refinacin de petrleo.

El estudiante reconoce las diferencias entre el diseo de una columna

empacada y una columna de platos.

El estudiante conoce la importancia de la aplicacin de normas de seguridad

en la industria petrolera para trabajar en plantas de procesamiento de

hidrocarburos.


Unidad de Destilacin experimenta de Hidrocarburos. Documento de referencia,

manual de seguridad e Higiene de Laboratorios de IPG.

3.1 Reactivos

Petrleo Crudo

Equipo de Proteccin Personal. EPP

Overol de algodn

Botas de Seguridad

Casco de seguridad

Guantes de cuero

Gafas de seguridad

Protectores auditivos (prescindible)

Nota.- El estudiante que no cuente con los EPP indicados o durante la realizacin de la prctica se quita alguno de ellos, no podr ingresar a la unidad de destilacin y ser expulsado inmediatamente de la misma.



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4. TECNICA O PROCEDIMIENTO

Documento de Referencia: Manual de Procedimiento de la Unidad de destilacin

de Hidrocarburos.

Se formarn sub grupos a los que se asignarn diferentes reas de trabajo dentro

la unidad, las cuales sern rotativas durante la realizacin de la prctica.

Es imprescindible que atienda la explicacin del docente, respecto al trabajo que se

realizar dentro la unidad.

Antes de iniciar la prctica el estudiante deber llenar la hoja de inspeccin de la

UDEH.

Antes de iniciar la prctica en la UDEH, todo estudiante deber llenar la hoja de

ingreso a la UDEH.

La toma de datos se realizar en el tiempo que determine el docente, se tomarn

los siguientes datos:

Volumen de carga

Temperatura de fondo

Volumen de destilado

Volumen de residuo

5. TIEMPO DE DURACIN DE LA PRACTICA

Tiempo estimado de duracin de la prctica 6 horas


- Realizar la curva de destilacin con los obtenidos por el software

- Medicin de la cantidad obtenida de cada corte (porcentaje de destilado)

- Realizar un balance de materia en todo el proceso, identificando volumen

alimentacin F, volumen destilado D, volumen residuo W.

- Elabore una tabla con los resultados

7. CUESTIONARIO



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7.1. Cul es el componente clave ligero y clave pesado identificado en el

proceso?

7.2. Realice un diseo de una columna de platos para la UDEH, utilizando el

mtodo McCabe Thiele, asumiendo una separacin de mezclas binarias a

partir de los componentes claves ligeros y pesad. Determine:

7.2.1. El nmero de platos tericos

7.2.2. En nmero de platos reales

7.2.3. El plato de alimentacin

7.2.4. La composicin de gasolina en el residuo.

7.3. Que otro mtodo cree usted que se podra emplear para realizar el diseo

de esta columna?



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VERIFICACION DE INFRAESTRURA

AREA DE PROCESO

El tren de vlvulas de seguridad del quemador del horno se encuentra en buenas condiciones de operacion?

(Valvula ausente, rota)

Las conexiones y cableado del horno se encuentran en condiciones optimas para el inicio de la operacion?

El manmetro se encuentra en buenas condiciones? (Rotura, mal calibrado)

La termocupla del horno de combustin se encuentra en buen estado? (rotura, desgaste del empaque,

sensor expuesto)

Las vlvulas a la salida del horno se encuentran en condiciones de operacin? (Llave rota, corrosin,

obstruccion)

El aislamiento en el horno presenta roturas, rajaduras en el material refractario?

La retorta en el horno no presenta daos ni desgaste que pueda implicar la tolerancia de condiciones de

presion y temperatura ?

Las empaquetaduras y pernos de la torre se encuentran en buen estado? (corrosin, rotura, empaquetadura

seca)

La llave de purga en la base de la torre se encuentra en buen estado? (Llave rota, corrosin, obstruccion)

El sistema de aislamiento en la torre de destilacin se encuentra en condiciones optimas para cumplir su

funcion? (Lana de vidrio sobre salida, envejecida)

Las vlvulas en la cabeza de la torre se encuentran en condiciones de operacin? (Llave rota, corrosin,

ausencia de palanca de llave)

El manmetro en la cabeza de la torre se encuentra en condiciones optimas para el inicio de

funcionamiento? (Rotura, mal calibrado)

Las termocuplas del intercambiador de calor se encuentran en buen estado? (rotura, desgaste del

empaque, sensor expuesto)

La llave de paso de entrada del agua al intercambiador de calor se encuentra en buen estado? (Llave rota,

corrosin)

La bomba de agua para el sistema de enfriamiento se encuentra en condiciones ptimas de

funcionamiento? (Proteccin elctrica, corrosin del rotor, corrosin externa)

revisar el ventilador de la parte superior de la torre

EL nivel y tiempo de almacenamiento del agua en el tanque se encuentra dentro las especificaciones del

procedimiento.

AREA DE ALMACENAMIENTO

Almacenamiento de GLP

Los reguladores de las garrafas de GLP se encuentran en condiciones de optimas de operacion? (corrosion,

rotura, desgast de la empaquetadura)

Las mangueras de conexin se encuentran en buenas condiciones? (Manguera seca, grietas)

Las llaves de paso del tanque de crudo se encuentran en condiciones de operacin? (Llave rota, corrosin)

La bomba de crudo se encuentra en condiciones ptimas de funcionamiento? (Proteccin elctrica,

corrosin del rotor, corrosin externa)

Las llaves de paso del tanque de GN se encuentran en buen estado? (Llave rota, corrosin)

El tanque de almacenamiento de GN se encuentra en buen estado? (Paredes daadas, Corrosin)

Las tuberas se encuentran pintadas segn el color respectivo para la sustancia transportada?

La direccin de flujo se encuentra debidamente sealizada en la tubera?

Los equipos que presentan superficies calientes cuentan con la debida sealizacion y la misma se encuentra

en buen estado? (Desgastada, ausente)Los tanques de almacenamiento de combustibles se encuentran debidamente identificados bajo la norma

NFPA?

Las areas con riesgo de incendio se encuentran debidamente sealizadas?

Las areas con peligro de gases inflamables cuentan con la sealizacion respectiva? (Claramente visible)

El area de delimitacion normativa para la prohibicion "No fumar" se encuentra dentro de la especificacion

de la norma? (Claramente visible)

La alarma de emergencia se encuentra debidamente sealizada? (Claramente visible)

Los extintores se encuentran debidamente sealizados? (Claramente visible)

Las diferentes areas de proceso y almacenamiento se encuentran con la senalizacion de uso de EPP propia

de la misma? (Claramente visible)

La restriccion de acceso a la unidad de destilacion de hidrocarburos se encuentra debidamente identificada

segun el procemiento? (Claramente visible)

Las puertas de salida de emergencia se encuentran debidamente sealizadas? (Claramente visibles)

La restriccion de acceso restringido a personal autorizado a la unidad de destilacion de hidrocarburos se

encuentra debidamente identificada segun el procemiento? (Claramente visible)

________________________________________

FIRMA

________________________________________

FIRMA COORDINADOR

SI

(Bueno)

NO

(Malo)OBSERVACIONES

SI

(Bueno)

NO

(Malo)OBSERVACIONES

Almacenamiento de GN (Gasmetro)

SEALIZACION

Almacenamiento de crudo de petrleo

HOJA DE INSPECCIN TCNICA UDEH

FECHA:

NOMBRE:

CARGO:

Nro de registro:

Torre de destilacin atmosfrica.

Intercambiador de calor.

Torre de enfriamiento.

AREA DE PROCESO

SI

(Bueno)

NO

(Malo)OBSERVACIONES

Horno



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Prctica N 3

TRANSFERENCIA DE CALOR EN INTERCAMBIADORES

1.- CONOCIMIENTO TERICO REQUERIDO:

Un Intercambiador de Calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que est ms

caliente de lo deseado, transfiriendo calor a otro fluido que est fro y necesita ser

calentado. La transferencia de calor se realiza a travs de una pared metlica o de un

tubo que separa ambos fluidos.

Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben

diferentes nombres:

Intercambiador de Calor: Realiza la funcin doble de calentar y enfriar dos

fluidos.

Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.

Enfriador: Enfra un fluido por medio de agua.

Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.

Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el

calor de reebulicin que se necesita para la destilacin. (Los hay de termosifn,

de circulacin forzada, de caldera)

Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del lquido

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR.

Los tipos fundamentales de intercambiadores que se manejan en la industria son.

Intercambiadores de tubera doble

Intercambiadores enfriados por aire (Aero enfriadores)

Intercambiadores de tipo placa

Intercambiadores de casco y tubo

Intercambiadores de tubera doble.



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Consiste en un tubo pequeo que est dentro de otro tubo mayor, circulando los fluidos

en el interior del pequeo y entre ambos.

Estos intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de rea de transferencia son

pequeos.

Intercambiadores enfriados por aire.

Consisten en una serie de tubos situados en una corriente de aire, que puede ser

forzada con ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener aletas para aumentar el

rea de transferencia de calor . Pueden ser de hasta 40 ft (12 m) de largo y anchos de

8 a 16 ft (2,5 a 5 m).

La seleccin de un intercambiador enfriado por aire frente a uno enfriado por agua es

una cuestin econmica, hay que consideran gastos de enfriamiento del agua,

potencia de los ventiladores y la temperatura de salida del fluido.

Intercambiadores de tipo placa.

Llamados tambin intercambiadores compactos. Pueden ser de diferentes tipos:

Intercambiadores de tipo placa y armazn (plate-and-frame) similares a un filtro

prensa.

Intercambiadores de aleta de placa con soldadura (plate fin).

Admiten una gran variedad de materiales de construccin, tiene una elevada rea de

intercambio en una disposicin muy compacta. Por la construccin estn limitados a

presiones pequeas.

Intercambiadores de casco y tubo.

Son los intercambiadores ms ampliamente utilizados en la industria qumica y con las

consideraciones de diseo mejor definidas. Consisten en una estructura de tubos

pequeos colocados en el interior de un casco de mayor dimetro.

Las consideraciones de diseo estn estandarizadas por: The Tubular Exchanger

anufacturers Association (TEMA). Un intercambiador de calor de casco y tubo

conforme a TEMA se identifica con tres consideraciones de diseo: la indicativa del tipo

del cabezal estacionario, la indicativa del tipo de casco, el tipo de cabezal del extremo

posterior, el dimetro del casco y la longitud nominal de los tubos en pulgadas.

Los intercambiadores de casco y tubo de TEMA, tienen la siguiente descripcin de sus

componentes principales:



22

2. COMPETENCIAS

El alumno conoce las principales operaciones unitarias que se manejan en un

proceso de separacin de hidrocarburos.

El alumno identifica los equipos bsicos de operacin, que forman parte de una

planta de refinacin de petrleo.

El alumno determina los coeficientes globales de transferencia de calor del

fluido que circula por tuvo y por coraza.

El alumno conoce la importancia de la aplicacin de normas de seguridad en la

industria petrolera para trabajar en plantas de procesamiento de hidrocarburos.



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Unidad de Destilacin experimenta de Hidrocarburos. Documento de referencia,

manual de seguridad e Higiene de Laboratorios de IPG.

3.1. Materiales y Equipos

- Termmetro infrarrojo

- Flexmetro de 5 mts.

- Baldes de plstico de 10 Lts

- Embudo metlico para gasolina

3.2. Reactivos

- Petrleo Crudo

Equipo de Proteccin Personal. EPP

Overol de algodn

Botas de Seguridad

Casco de seguridad

Guantes de cuero

Gafas de seguridad

Protectores auditivos (prescindible)

Nota.- El estudiante que no cuente con los EPP indicados o durante la realizacin de

la prctica se quita alguno de ellos, no podr ingresar a la unidad de destilacin y ser

expulsado inmediatamente de la misma.

4. PROCEDIMIENTO

Se formarn sub grupos a los que se asignarn diferentes reas de trabajo dentro

la unidad, las cuales sern rotativas durante la realizacin de la prctica.

Es imprescindible que atienda la explicacin del docente, respecto al trabajo que

se realizar dentro la unidad.

Antes de iniciar la prctica el estudiante deber llenar la hoja de inspeccin de la

UDEH.

Antes de iniciar la prctica en la UDEH, todo estudiante deber llenar la hoja de

ingreso a la UDEH.

Realice una inspeccin visual de los parmetros de diseo del IC.



24

Durante la operacin de la UDEH, cuando la temperatura de cabeza de la torre de

destilacin indique el inicio del proceso de condensacin, encender la bomba de

circulacin de agua hacia el IC. Misma que ser indicada por el docente

La toma de datos se realizar en el tiempo que determine el docente, se tomarn

los siguientes datos:

a) Flujo de agua de enfriamiento, determinado por la bomba de agua.

b) Temperatura de entrada y salida del agua al IC, (ver panel de control).

c) Temperatura de cabeza de la torre de destilacin.

d) Volumen de producto destilado en los tanques de almacenamiento. (los

volmenes de cada tanque se manejarn como datos separados)

5. TIEMPO DE DURACIN DE LA PRCTICA

Tiempo estimado de duracin de la prctica: 6 horas


Elabore una tabla, con todos los parmetros de diseo de IC de la UDEH

Determine los coeficientes de transferencia de calor para los fluidos por tuvo y

coraza. Utilizando las grficas especficas para el diseo de IC.

Determine el coeficiente total de transferencia de calor.

7. CUESTIONARIO

1. Que es el coeficiente de suciedad y cual su importancia para el diseo de

Intercambiadores de calor?

2. Para el caso particular de la prctica, donde se tiene un volumen destilado de

una mezcla de gasolina como se determina la cantidad de calor transferida por

este combustible y de que depende?

3. Se han de calentar 37,5 kg/s de un crudo de petrleo desde 295 hasta 330 K

por intercambio de calor con el producto de cola de una columna de destilacin.

El producto de cola, con una velocidad de flujo de masa de 29,6 kg/s, se ha de

enfriar desde 420 hasta 380 K. Se dispone de un intercambiador de calor

tubular con un dimetro interior de la carcasa de 0,60 m que tiene un paso del

lado de la carcasa y dos pasos del lado de los tubos. El cambiador tiene 324

tubos de 19 mm de dimetro exterior con 2,1 mm de espesor de parad y 3,65 m

de longitud, dispuestos en una red cuadrada de 25 mm y soportados por placas

deflectoras con un corte del 25 % espaciadas a intervalos de 230 mm. Ser

adecuado este intercambiador?

Temperatura media del crudo de petrleo: 313 K



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Capacidad calorfica: 1,986 x 103 J/kgK

Viscosidad: 0,0029 N s/m2

Conductividad calorfica: 0,136 W/mK

Densidad: 824 kg/m3

Para el producto de cola a 400 K ;Cp =2200 J/kgK

Practica No 4

EXTRACCIN CON SOLVENTES

1. CONOCIMIENTO TERICO REQUERIDO

La extraccin es una de las operaciones bsicas del laboratorio. Se define como la

accin de separar con un lquido una fraccin especfica de una muestra, dejando el

resto lo ms ntegro posible.

Se pueden realizar desde los tres estados de la materia, y se denominan:

1) Extraccin slido lquido

2) extraccin lquido lquido

3) extraccin gas lquido.

Este proceso de separacin de sustancias est basado en la libre distribucin de la

sustancia en dos fases.

Mediante esta tcnica se pueden separar componentes que se hallan presentes en

mezclas slidas (extractor soxhlet); o mezclas lquidas usando un embudo de

decantacin, basados siempre en las diferencias de distribucin de sus componentes

individuales en dos fases que interactan a travs de un rea de tamao considerable.

La extraccin con solventes es una tcnica de tratamiento que consiste en usar un

solvente (un lquido capaz de disolver otra sustancia) para separar o retirar

compuestos de una fase homognea.

Se pueden obtener diferentes productos como aceites y grasas a partir de muestras

vegetales y animales utilizando tcnicas estas tcnicas.

La tcnica ms importante de separacin se basa en el reparto selectivo del soluto

entre dos fases no miscibles, que pueden ser una acuosa y una orgnica.

La distribucin del soluto entre las dos fases inmiscibles es un fenmeno de equilibrio

que se describe por medio de la ley de distribucin, cuya constante de equilibrio se

denomina coeficiente de distribucin o coeficiente de reparto. Las constantes de

distribucin permiten calcular la concentracin del soluto que permanece en una



26

solucin despus de un nmero de extracciones y permite determinar la forma ms

eficiente de realizar una separacin por extraccin.

Es importante tener en cuenta que las sustancias inicas y los compuestos orgnicos

polares, estarn en mayor proporcin en la fase acuosa, mientras que los compuestos

orgnicos no polares, estarn en mayor proporcin en la fase orgnica.

S(fase1) S(fase 2)

[ ( )]

[ ( )]

Dado en concentraciones molares

KD es el coeficiente de distribucin, si KD es suficientemente grande el soluto pasar

de la fase 1 a la fase 2, pero si KD es pequeo el soluto permanecer en la fase 1. Los

estados fsicos de ambas fases se identifican al describir el proceso de separacin

nombrando primero la fase que contiene el soluto.

La extraccin soxhlet consiste bsicamente en el lavado sucesivo de una mezcla slida

con un determinado solvente, que va lavando o extrayendo de la muestra los

componentes afines al solvente mediante el lavado sucesivo de una muestra se

pueden extraer de ella componentes cuya solubilidad en el solvente es baja, debido al

efecto acumulativo de las extracciones.

Un equipo especialmente diseado para realizar extracciones a partir de mezclas

slidas es el soxhlet.

La extraccin Soxhlet se fundamenta en las siguientes etapas:

1) Colocacin del solvente en un baln.

2) Ebullicin del solvente que se evapora hasta un condensador a reflujo.

3) El condensado cae sobre un recipiente que contiene un cartucho poroso con la

muestra en su interior.

4) Ascenso del nivel del solvente cubriendo el cartucho hasta un punto en que se

produce el reflujo que vuelve el solvente con el material extrado al baln.

5) Se vuelve a producir este proceso la cantidad de veces necesaria para que la

muestra quede agotada. Lo extrado se va concentrando en el baln del solvente.

La siguiente figura indica el armado de un extractor soxhlet:



27

EL cartucho es un recipiente cilndrico con base semiesfrica para que se apoye la

muestra en la base del equipo extractor y sea adems ms resistente. Los materiales

ms utilizados son el algodn prensado y la porcelana porosa, la cantidad de muestra

se condiciona el tamao del cartucho y este al del extractor.

Es por eso que existen varios tamaos de soxhlet, y es conveniente antes de

comenzar a trabajar definir cul es la medida que se requiere.

Solvente.- La cantidad de solvente debe ser la necesaria para que al ascender al

cartucho y antes de que se haga la sifonada, no quede seco el baln inferior porque la

muestra podr secarse o quemase, o cuando caiga el lquido de la sifonada sobre el

vidrio recalentado se puede producir una explosin de los vapores con el consiguiente

riesgo de accidente. Como durante la operacin hay prdida del solvente por

evaporacin, se debe agregar por lo menos una cantidad semejante en exceso.



28

Solventes a utilizar: Si se sigue una norma o tcnica el solvente estar indicado.

Pero con frecuencia, particularmente en los laboratorios de investigacin, se suelen

realizar extracciones no normalizadas. Por eso es conveniente saber el rango de estas

sustancias que se pueden utilizar en el extractor soxhlet. La experiencia que se posee

es que hay una temperatura mxima y mnima de ebullicin en la que el equipo

funciona adecuadamente.

En la siguiente tabla se expone una lista, no exhaustiva, de los solventes comunes

utilizados en las extracciones con Soxhlet.

2. COMPETENCIAS

El alumno determina el coeficiente de transferencia de materia, en un proceso

de extraccin slido lquido, empleando como muestra: aceite comercial

contenido en un medio slido y un solvente orgnico como medio extractor


3.1. Equipos y materiales

Extractor tipo Soxhlet.

Tamices de diferente malla.

Refractmetro.

Cronometro.

Vidrios de reloj



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3.2. Reactivos

Arena.

Aceite vegetal.

Acetona grado analtico.

4. PROCEDIMIENTO

Construir una curva de calibracin del ndice de Refraccin Vs Concentracin de

aceite; preparando mezclas de 10 mL de aceite- acetona (al 0,0; 20,0; 50,0; 80,0; 100,0

%) a temperatura ambiente.

a) Tomar 500 g de arena seca y dejar pasar por tres tamices que nos permita tener

aproximadamente tamaos de partcula de 1,0; 0,8; y 0,4 mm de dimetro.

b) Tomar 180 gramos de un tamao de partcula de arena especfica que determine el

docente.

c) Preparar mezclas de arena aceite de 2,5; 5,0% y 10,0% de aceite en 50 g. de

arena.

d) Colocar cada una de las mezclas preparadas en el cartucho de extraccin del

equipo soxhlet y se somete a extraccin con acetona utilizando un medio de

calentamiento.

e) Medir el tiempo mediante un cronometro desde que cae la primera gota de acetona

hasta que se produce el sifonamiento de la acetona del cartucho al baln de

recoleccin. Esto se produce cuando se llena el cartucho completamente con la

acetona. En el momento que se sifonea la acetona cortar el calentamiento o alejar el

baln del manto calefactor.

f) Se toma una muestra del lquido contenido en el baln (1 mL) que es una mezcla de

acetona aceite y se determina su composicin mediante la lectura del ndice de

refraccin y la curva de calibracin construida anteriormente.

g) Repetir el proceso para cada una de los tamaos de partculas de arena y de los

diferentes porcentajes de aceite.

5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA

Tiempo estimado de duracin de la prctica 2 horas

6. MEDICION, CLCULOS Y GRAFICOS



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Con los datos experimentales obtenidos, para cada una de las extracciones realizadas

es posible obtener la concentracin (CD) que posee el extracto contenido en la

caldera al final de la operacin. Se calcula el coeficiente de transferencia de

materia KV utilizando la ecuacin:

Donde:

Kv = coeficiente de distribucin

CD = concentracin de la muestra final (acetona)

Cs = concentracin inicial de la muestra (arena)

V = volumen total de solvente

ms = masa de la muestra de aceite

t = tiempo de la 1 extraccin

Correlacionar los valores de las constantes volumtricas de transferencia de

materia con el tamao de partcula.

Llenar las tablas con los datos y los clculos realizados de la prctica.

DATOS VALOR UNIDAD

Masa inicial de muestra

Volumen de solvente

Tiempo de extraccin

Temperatura de ebullicin

VARIABLE FORMULA RESULTADO UNIDAD

Composicin Inicial:

Composicin Final:



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Coeficiente de distribucin:

9.1 Grafique la curva de calibracin desarrollada

9.2 Explique los datos y observaciones de los experimentos realizados en la prctica.

9.3 Determine el contenido de aceite recuperado en la muestra de trabajo.

9.4 Cul podra ser efecto de la temperatura en cada una de las extracciones

realizadas en la prctica?

9.5 Determinar el coeficiente de distribucin para extrapolar los resultados a

condiciones industriales.

7. CUESTIONARIO

10.1 Mencione tres tipos de industrias en donde la separacin por solubilidad

constituya una de las operaciones bsicas.

10.2 Porque es mejor hacer una extraccin varias veces con volmenes pequeos,

que una extraccin una sola vez con un volumen grande?

10.3 Qu es y cmo funciona un extractor soxhlet?

Documents

Operaciones Unitarias II