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LIGNO-CARB
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
N. Pérez
G. Rincón
Y. García
J. Santos
Laboratorio de Carbón y Residuos Pesados
Universidad Simón Bolívar
IQP&P-Ingeniería Química Petroquímica y Procesos
Universidad Simón Bolívar
Presentado por
Gladys Rincon
Tarragona 09/09/05
Prof. Gladys Rincón Polo
Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
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LIGNO-CARB
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Las plantas pilotos son instalaciones
experimentales de dimensiones
comprendidas entre aparatos de laboratorio y
plantas comerciales, conformadas por una
secuencia de equipos, instrumentos,
accesorios y líneas, dispuestos en forma
lógica para reproducir un determinado
proceso
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Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
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La capacidad de una planta industrial se
establece en base a criterios como:
•demanda y oferta,
•restricciones técnicas,
•disposición de materias primas o insumos,
•rentabilidad,
•restricciones financieras,
•limitaciones de espacio.
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coquización retardada
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El objetivo de una planta piloto
es generar información para
ampliar conocimientos relativos
al diseño y operación de una
planta comercial.
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coquización retardada
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¿Cómo establecer la capacidad de
una planta piloto que reproduce un
proceso que ya existe
industrialmente ?
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PASOS
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Formulación
Objetivos
ENTREGABLE
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Lista de objetivos de la planta piloto
Relación de condiciones de operación y lo que
se desea reproducir
Definición de Bases de Diseño
Condiciones y características de materia
primas y productos.
Limites de capacidad
Capacidad mínima y máxima
¿Cuáles son los parámetros a
reproducir?
Lista de parámetro a reproducir
Generación del DBP de la
planta piloto
DBP
Capacidad de diseño
Capacidad de diseño la planta piloto
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Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
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PASO 1. Formulación del objetivo.
los objetivos se formulan para dar
respuesta a la información requerida para
el diseño u operación de la planta
industrial.
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coquización retardada
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PASO 2.
Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y lo
que se va a reproducir.
1.Identificar las propiedades de los productos que
se van a reproducir;
2.Estudiar el proceso industrial para identificar las
variables de operación que tienen mayor impacto
sobre lo que se va a reproducir, se desechan
aquellas que no lo afectan.
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coquización retardada
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PASO 2.
Definición de las Bases de Diseño.
Condiciones y características de materia
prima, productos y rendimiento.
El diseño de la planta piloto se realiza sobre la
base de que la materia prima y los productos
son equivalentes a los del proceso industrial.
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coquización retardada
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PASO 3.
Limites de capacidad.
capacidad máxima. Lo más pequeña posible
tomando en cuenta tres aspectos:
1)
limitaciones de materia prima;
2)
disposición de desechos
3)
costos mínimos de inversión inicial.
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Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
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PASO 3. Limites de capacidad.
capacidad mínima. lo suficientemente grande
como para asegurar:
1) cantidad requerida en las pruebas de
laboratorio;
2) velocidades mínimas equipos y tuberías;
3) minimizar costos iniciales de inversión
Se recomienda diseñar para la capacidad
mínima posible
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coquización retardada
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PASO 4.
¿ Cuáles son los parámetros de operación
a reproducir ?
Se deben seleccionar cuáles son los parámetros de
operación que tienen mayor impacto sobre lo que se
desea reproducir.
La capacidad de la planta
piloto queda restringida por las limitaciones
impuestas por los parámetros de operación.
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Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
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PASO 5.
Generación del PFD de la planta piloto.
La formulación de objetivos obliga potencialmente
a rediseñar el DBP ajustándose a los objetivos
establecidos.
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Estableciendo capacidad para plantas piloto:
coquización retardada
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PASO 6.
Estableciendo la capacidad de diseño.
Con la información recopilada en los pasos
anteriores y los balances de masa se establece la
capacidad de diseño de una planta piloto que
reproduce parcialmente o
totalmente un
proceso existente.
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DFP: Coquización Retardada a nivel Industrial
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CW
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-
Gas
Separator
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Gas
Unstabilized
Naphta
Gasoil
Stripper
Main
Fractionator
Coker
Drum
Coker
Drum
Steam
Gasoil
Coke
CW
Feed
Furnace
Residual
Stream
Steam
Coke graves
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Estableciendo capacidad de PPCR
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El coque retardado producto del crudo venezolano
es
excesivamente duro y difícil de remover con el equipo de
decoquizacion hidráulica.
EL Laboratorio de Carbón y Residuos Pesados de la
Universidad Simón Bolívar, fiel al objetivo de prestar
soporte técnico a la industria y en su empeño por dar
soluciones sustentables al coque retardado, plantea la
conceptualización, diseño y construcción de una planta piloto
de coquización retardada (PPCR), que reproduzca la
calidad del coque retardado que se produce a partir de crudo
venezolano.
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Estableciendo capacidad de PPCR
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Great Lakes Carbon [Ellis y Hardin, 1993];
Process Improvement Engineering [Lieberman, 1986];
Universidad de Milano [Del Bianco, 1993];
Universidad de Trondheim [Blekkan, 1992];
El instituto de Investigación Aplicada de Pittsburg
[Rodríguez, 1994];
PDVSA-Intevep [Layrisse, 1998];
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Estableciendo capacidad de PPCR
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Se definió la capacidad de
la
PPCR
como la cantidad de
COQUE RETARDADO producido
POR CICLO de operación
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Estableciendo capacidad de PPCR
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PASO 1. Formulación del objetivo.
Construir una PPCR que reproduzca la
calidad de coque retardado que se produce
a partir de crudos venezolanos.
Este proyecto maneja un financiamiento
mínimo.
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Estableciendo capacidad de PPCR
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PASO 2.
Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y lo que
se va a reproducir.
La PPCR reproducirá las características del coque
retardado requeridas para su comercialización, las
cuales son:
El contenido de azufre y metales lo establece el
contenido de los mismos en la alimentación.
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PASO 2.
Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y
lo que se va a reproducir.
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Para una alimentación dada, la presión
y la relación de reciclo del tambor de
coquización, y la temperatura de
salida del horno determinan la calidad
y rendimiento del coque retardado.
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PASO 2.
Definición de las Bases de Diseño.
Relación entre condiciones de operación y
lo que se va a reproducir.
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Presión del tambor de coquización: A temperatura y
relación de reciclo constantes, al aumentar la presión del
tambor los hidrocarburos pesados quedan retenidos en él.
Esto se traduce en un aumento en el rendimiento de coque y
un ligero aumento en la cantidad de gases.
Relación de reciclo del proceso: La relación de reciclo
tiene el mismo efecto que el de la presión en el rendimiento
de los productos.
Temperatura del tambor de coquización: A presión y
relación de reciclo constantes, el rendimiento de coque
disminuye al aumentar la temperatura de salida de los
tambores.
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Coke Physical
Properties
Operation
Variables
Microstructural Characteristics
Volatile Matter
Superficial
(VM)
area
Pore volume Microstructur
and diameter
e
Increase
hardness
Reduction of
superficial
area
Reduction of
pore size
Temperature
affects the
mesofase
development
Increase Pressure
Increase VM
content
Reduction of
superficial
area
Reduction of
volume of
available
empty spaces
Unknown
influence
•Increase Recycle
Reduction of
VM content
Increase
residence
time
Increase
residence
time
Increase
residence
time
Increase
Temperature
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PASO 2.
Definición de las Bases de Diseño.
Condiciones y características de materia prima,
productos y rendimiento.
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Global Properties
Mass Flow
(kg/hr)
6.46
Pressure (psia)
Vapor fraction
1.00
Temperature (K)
40
Specific
Gravity
2.83
732
Viscosity (cP)
0.02
Mass Composition
Water
0.17
Heptanes
0.00033
Sulphidric acid
0.000021
Hydrogen
0.00027
Decane
0.11
Carbon dioxide
0.03
0.000017
Methane
0.0092
Undecane
0.12
Carbon
monoxide
Ethylene
0.00013
Dodecane
0.13
Resin
0
Ethane
0.0027
Trydecane
0.14
Saturated
0
Propane
0.0035
Tetradecane
0.15
Butane
0.002
Benzene
0.051
Pentane
0.0012
Toluene
0.061
Hexane
Tarragona 09/09/05 0.00048
Cyclohexane
0.024
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Aromatic
Naphtenic
0
0
PASO 3.
Limites de capacidad.
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PASO 3.
Limites de capacidad.
capacidad máxima. 23 Kg coque retardado por ciclo
capacidad mínima.
5 Kg coque retardado por ciclo
La capacidad mínima debe garantizar una velocidad lineal de:
líquidos 1m/s y gases 4m/s.
Existe un compromiso entre la capacidad, la
inversión inicial y las restricciones impuestas por los
parámetros de operación
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PASO 4.
¿ Cuáles son los parámetros
de operación a reproducir ?
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velocidad de ascenso dentro del tambor
18
Minimum riser velocity
Mean riser velocity
Maximum riser velocity
Length/Diameter ratio (L/D)
16
14
12
10
8
6
4
2
6
Tarragona 09/09/05
7
8
9
10
11
12
13
14
Delayed Coking masses per cycle (Kg)
Prof. Gladys Rincón Polo
15
16
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PASO 4.
¿ Cuáles son los parámetros
de operación a reproducir ?
lfa
LIGNO-CARB
condición adiabática del tambor
Para reproducir las características del coque retardado es
fundamental reproducir el perfil térmico dentro del tambor,
por lo tanto el tambor debe operar de forma adiabática.
Capacidad de al menos 4 kg coque retardado/ciclo.
La capacidad mínima está definida por la cantidad de
coque requerido por las pruebas de laboratorio.
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PASO 4.
¿ Cuáles son los parámetros
de operación a reproducir ?
lfa
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tiempo de llenado del tambor de coquización
Tiempo de llenado de aproximadamente 6 horas
18
Minimum riser velocity
Mean riser velocity
Maximum riser velocity
16
Length/Diameter ratio (L/D)
Para una velocidad de
ascenso constante se debe
establecer una altura`(L) del
tambor que permita alcanzar
el tiempo de llenado.
Al establecer L, el diámetro
(D) y la cantidad de coque
retardado por ciclo son fijos
14
12
10
8
6
4
2
6
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7
8
9
10
11
12
13
14
Delayed Coking masses per cycle (Kg)
Prof. Gladys Rincón Polo
15
16
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PASO 4.
¿ Cuáles son los parámetros
de operación a reproducir ?
lfa
LIGNO-CARB
operabilidad
Mientras menor sea la capacidad menor serán las
dimensiones de los equipos, aumentando los problemas
operacionales por depósitos de coque en tuberías,
accesorios y equipos.
Para evitar la deposición de coque la velocidad en todas las
líneas debe ser superior a la mínima.
Líquidos 1m/s - Gases 4m/s
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PASO 4.
¿ Cuáles son los parámetros
de operación a reproducir ?
lfa
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Desechos generados
Mientras mayor sea la capacidad de la planta mayor será la
cantidad de desechos generados.
Capacidad de al menos 23kg coque retardado/ciclo.
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PASO 5.
Generación del PFD de la
planta piloto
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PASO 6.
Estableciendo la capacidad de
diseño.
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PREMISAS para BM:
1) la velocidad debe ser mayor a la mínima;
2) la velocidad de ascenso se toma como la
velocidad de ascenso promedio,
3) la relación de reciclo es de 20/80.
Relación de reciclo: cantidad de gasóleo
producido por ciclo con respecto al total
recirculado.
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•
•
•
•
•
•
•
PASO 6.
Estableciendo la capacidad de
diseño.
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LIGNO-CARB
Se supone la cantidad de coque retardado por ciclo
Se supone el diámetro de todas las líneas del DFP. Los valores de
los diámetros corresponden a D comerciales.
Se realizan los BM. Para el tambor de coquización se utilizó la
figura que establece la relación de L/D.
Se calculó el caudal en cada tubería.
Se calculó la velocidad lineal de cada tubería.
El cálculo iterativo se detiene cuando la velocidad lineal de todas
las tuberías es mayor o igual a las velocidades mínimas.
Una vez detenido el cálculo se estable que la cantidad supuesta de
coque retardado a producir es la capacidad de diseño PPCR
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Prof. Gladys Rincón Polo
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CONCLUSIONS
CONCLUSIONES
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El método propuesto garantiza establecer la
capacidad de una planta piloto de un proceso
industrial. Este método se probó para
establecer la capacidad de una PPCR que
reproduce la calidad del coque venezolano.
La capacidad PPCR es
10,5Kg coque retardado /ciclo
L/D = 8,3
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Prof. Gladys Rincón Polo
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CONCLUSIONS
CONCLUSIONES
LIGNO-CARB
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR
La mayor dificultad para establecer la capacidad de una
planta piloto de un proceso industrial, radica en seleccionar
cuáles parámetros de operación se deben reproducir.
Para la PPCR se estableció que para reproducir la calidad del
coque retardado es necesario reproducir la fluidodinámica,
el tiempo de llenado y la condición adiabática del tambor
de coquización.
Se recomienda hacer un estudio detallado que establezca la
capacidad mínima óptima, basado tanto en los aspectos
técnicos como en el incremento de los costos de
construcción de equipos muy pequeños.
Tarragona 09/09/05
Prof. Gladys Rincón Polo
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GRACIAS
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Prof. Gladys Rincón Polo
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Estableciendo capacidad para plantas piloto