FIQ-SA-SILVA GERARDO.pdf - Universidad Central del Ecuador
86
i Estudio de factibilidad para el aprovechamiento de crudo reducido producido en la Refinería de Lago Agrio Bloque 56 para utilizarse en generadores con motores Hyundai modelo 9H21/32. Autor: Silva Ortiz, Gerardo Alexander Tutor: López Terán, Jorge Luis Facultad de Ingeniería Química, Universidad Central del Ecuador Carrera de Ingeniería Química Trabajo de titulación modalidad Propuesta Tecnológica previo a la obtención del Título de Ingeniero Químico Quito, 2022
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i
Estudio de factibilidad para el aprovechamiento de crudo reducido producido en la
Refinería de Lago Agrio Bloque 56 para utilizarse en generadores con motores Hyundai
modelo 9H21/32.
Autor: Silva Ortiz, Gerardo Alexander
Tutor: López Terán, Jorge Luis
Facultad de Ingeniería Química, Universidad Central del Ecuador
Carrera de Ingeniería Química
Trabajo de titulación modalidad Propuesta Tecnológica previo a la obtención del Título de
Ingeniero Químico
Quito, 2022
ii
Derechos de autor
Yo, Gerardo Alexander Silva Ortiz en calidad de autor y titular de los derechos morales y
patrimoniales del trabajo de titulación, Estudio de factibilidad para el aprovechamiento de
crudo reducido producido en la refinería de Lago Agrio bloque 56 para utilizarse en
generadores con motores Hyundai modelo 9h21/32, modalidad propuesta tecnológica, de
conformidad con el Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE
LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN, concedo a favor de la
Universidad Central del Ecuador una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso
no comercial de la obra, con fines estrictamente académicos. Conservo a mi favor todos los
derechos de autor sobre la obra, establecidos en la normativa citada.
Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la digitalización y
publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de conformidad a lo dispuesto
en el Art. 144 de la LEY ORGÁNICA DE EDUCACIÓN SUPERIOR.
El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de
expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad por
cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la Universidad de
toda responsabilidad.
Firma:
Gerardo Alexander Silva Ortiz
CC: 172262287-3
Dirección electrónica: [email protected]
iii
Aprobación del tutor
En mi calidad de Tutor del Trabajo de Titulación, presentado por Gerardo Alexander Silva
Ortiz, para optar por el Grado de Ingeniero Químico; cuyo título es: Estudio de factibilidad
para el aprovechamiento de crudo reducido producido en la refinería de Lago Agrio
bloque 56 para utilizarse en generadores con motores Hyundai modelo 9h21/32, considero
que dicho trabajo reúne los requisitos y méritos suficientes para ser sometido a la presentación
pública y evaluación por parte del tribunal examinador que se designe.
En la ciudad de Quito, a los 17 días del mes de febrero del año 2020.
Ing. Jorge Luis Lopez Teran
DOCENTE-TUTOR
C.C.: 171739864-6
iv
Dedicatoria
A Dios y la Virgen Dolorosa, por darme las
fuerzas y bendiciones para terminar esta
carrera.
A mis padres, Carlos y Eugenia, Por brindarme
todo su apoyo, su amor incondicional, por
tenerme paciencia y por no dejarme vencer
cuando las cosas se tornaban difíciles.
A toda mi familia que me ha dado su amor y
apoyo en todo lo que he querido desarrollar en
mi vida.
v
Agradecimientos
A mi madre Eugenia y a mi padre Carlos, quienes mediante su amor y apoyo me han enseñado
los valores necesarios para poder cumplir mis metas.
A mis tutores Ing. Jorge Luis Lopez Teran y Ing. Gilda Graciela Gordillo Vinueza, por
brindarme su guía y apoyo en la elaboración de este trabajo de titulación.
A la empresa pública Petroamazonas EP, a todos los trabajadores que fueron guiándome a
través del desarrollo de este trabajo.
A toda mi familia, mis tíos, tías, primos y primas quienes están pendiente de mí y me brindan
constantemente su apoyo y amor, además de ser una fuente de inspiración para mí.
A mis amigos y compañeros de la facultad, a quienes agradezco su amistad, y por todas las
experiencias compartidas a través de toda la carrera.
A Jessica D., por ser una gran amiga y estar junto a mí toda la carrera, con quien compartí
muchas experiencias y mediante su cariño atravesé todas las adversidades que se me
presentaban.
vi
Tabla de Contenidos
DERECHOS DE AUTOR ..................................................................................................... ii
APROBACIÓN DEL TUTOR ............................................................................................. iii
DEDICATORIA .................................................................................................................... iv
AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... v
TABLA DE CONTENIDOS ................................................................................................ vi
LISTA DE TABLAS .............................................................................................................. x
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... xi
LISTA DE ANEXOS ........................................................................................................... xii
GLOSARIO ......................................................................................................................... xiii
RESUMEN............................................................................................................................ xv
ABSTRACT ......................................................................................................................... xvi
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1
1. MARCO TEORICO ....................................................................................................... 3
1.1. Crudo. ............................................................................................................................ 3
1.2. Crudo Reducido. ............................................................................................................ 3
1.3. Parámetros del Crudo Reducido requeridos por el motor-generador Hyundai 9H21/32 ..... 4
1.3.1. Viscosidad ..................................................................................................................... 6
1.3.2. Densidad del crudo ....................................................................................................... 7
1.3.3. Flash Point. ................................................................................................................... 7
1.3.4. Punto de Vertido. .......................................................................................................... 7
1.3.5. Asfaltenos ..................................................................................................................... 7
1.3.6. Cenizas y Contenido de Carbono. ................................................................................. 8
1.3.7. Sedimentos Totales ....................................................................................................... 8
vii
1.3.8. Agua en Crudo Residual ............................................................................................... 8
1.3.9. Contenido de Azufre en el crudo .................................................................................. 8
1.3.10. Índice de Aromaticidad al Carbono Calculado (CCAI). .............................................. 9
1.3.11. Vanadio en Crudo Residual. ........................................................................................ 9
1.3.12. Sodio en Crudo Residual. ............................................................................................. 9
1.4. Motor Hyundai 9H21/32 ............................................................................................. 10
1.5. Sistema de tratamiento de Fuel Oil. ............................................................................ 10
1.6. Simulador Aspen HYSYS V10. .................................................................................. 12
1.6.1. Generalidades.. ............................................................................................................ 12
1.6.2. Paquete termodinámico.. ............................................................................................. 13
1.6.3. Caracterización de crudos.. ......................................................................................... 13
1.7. Factibilidad Tecnológica. ............................................................................................ 13
2. MARCO EXPERIMENTAL .......................................................................................... 15
2.1 Proceso Experimental.................................................................................................... 15
2.2 Materiales y Equipos. .................................................................................................... 15
2.3 Normas para la Caracterización del Crudo Reducido. .................................................. 16
2.4 Datos Experimentales.................................................................................................... 17
2.4.1.Destilación TBP de Crudo Reducido. ........................................................................... 19
2.5 Datos Adicionales del Crudo Reducido. ....................................................................... 19
2.6 Datos de Set Point del Control de Viscosidad. ............................................................. 20
2.7 Datos de Tuberías del Sistema. ..................................................................................... 20
2.8 Datos de Tanques. ......................................................................................................... 21
3. CÁLCULOS ................................................................................................................... 22
3.1 Cálculo de Flash Point Teórico del Crudo Reducido. ................................................... 22
3.2 Cálculo de Residuos de Carbono Conradson. ............................................................... 22
3.3 Cálculo de la Cantidad de Ceniza. ................................................................................ 23
3.4 Cálculo del Índice CCAI. .............................................................................................. 24
viii
3.5 Cálculo de Poder Calorífico Inferior. ............................................................................ 24
3.6 Cálculo de Balance de Energía en Tanque de Reposo. ................................................. 25
3.7 Cálculo de Velocidad de Fluido y Caída de presión en tubería. ................................... 28
3.7.1. Cálculo área de Tubería. .............................................................................................. 28
3.7.2. Cálculo de la velocidad de fluido. ................................................................................ 28
3.7.3. Cálculo del Número Adimensional Reynolds.............................................................. 29
3.7.4. Cálculo de pérdidas por fricción en la tubería. ............................................................ 29
3.7.5. Cálculo de la Caída de Presión. ................................................................................... 30
3.8 Cálculo del Rango de Temperatura Operación del Crudo. .......................................... 31
3.8.1. Cálculo de la Media Aritmética. .................................................................................. 31
3.8.2. Cálculo de la Desviación Estándar. ............................................................................. 32
3.8.3. Cálculo de grado de libertad para el análisis estadístico. ............................................. 32
3.8.4. Cálculo del error estimado de la media........................................................................ 32
3.8.5. Valor t para un 90% de Confianza ............................................................................... 33
3.8.6. Cálculo del Intervalo de Confianza. ............................................................................. 33
3.9 Simulación del Proceso de Acondicionamiento del Crudo Reducido. ......................... 33
3.9.1. Descripción del proceso de obtención del Crudo Reducido.. .................................... 34
3.9.2. Descripción del proceso de Acondicionamiento del Crudo Carga en operación. ...... 34
3.9.3. Parámetros de entrada para el Crudo Reducido en el Simulador Aspen HYSYS 10. ..... 36
4. RESULTADOS. ............................................................................................................. 41
4.1 Resultados de Caracterización del Crudo Reducido. ...................................................... 41
4.2 Rango de Operación de Temperaturas relacionado con la viscosidad. ........................... 42
4.3 Caída de Presión y Velocidades de Fluido en Tuberías. ................................................. 43
4.4 Poder Calórico del Crudo reducido. ............................................................................... 45
4.5 Variación entre los datos experimentales y los datos obtenidos por la simulación. ....... 45
4.6 Parámetros de Crudo Reducido al entrar al Motor. ........................................................ 47
ix
4.7 Propuesta de operación para el uso del crudo reducido en la Central de Generación
Hyundai Lago Agrio. ............................................................................................................. 49
5. DISCUSIÓN ................................................................................................................... 50
6. CONCLUSIONES. ......................................................................................................... 54
7. RECOMENDACIONES ................................................................................................. 56
CITAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................. 57
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................... 58
ANEXOS ............................................................................................................................... 59
x
Lista de tablas
Tabla 1. Especificaciones Crudo Reducido ............................................................................ 5
Tabla 2. Especificaciones Generales del Motor Hyundai 9H21/32 ....................................... 10
Tabla 3. Ensayos ASTM usados para caracterizar el crudo reducido.................................... 16
Tabla 4. Datos ensayo punto de fluidez. ................................................................................ 17
Tabla 5. Datos de ensayo de residuos carbono Conradson .................................................... 17
Tabla 6. Datos de Análisis SARA y el %Asfaltenos ............................................................. 17
Tabla 7. Datos de los ensayos de cenizas .............................................................................. 18
Tabla 8. Datos de cantidad de azufre en ppm ........................................................................ 18
Tabla 9. Datos de Viscosidad cinemática a diferentes temperaturas. .................................... 18
Tabla 10. Datos de Destilación TBP ...................................................................................... 19
Tabla 11. Datos adicionales de Crudo Reducido. .................................................................. 20
Tabla 12. Valores Set Point Control de Viscosidad ............................................................... 20
Tabla 13. Longitud, diámetro y temperatura de operación de Tuberías. ............................... 21
Tabla 14. Dimensiones Tanque TL-103 y TL-104 ................................................................ 21
Tabla 15. Resultados de Caracterización del Crudo Reducido .............................................. 41
Tabla 16. Rango de Temperaturas para Operación. ............................................................... 42
Tabla 17. Destino de las Principales Tuberías. ...................................................................... 44
Tabla 18. Caídas de Presión en tuberías. ............................................................................... 44
Tabla 19. Velocidades de Fluido en Tubería. ........................................................................ 45
Tabla 20. Diferencia entre el poder calórico inferior del crudo ............................................. 45
Tabla 21. Variación del punto flash teórico y simulado. ....................................................... 46
Tabla 22. Variación de la viscosidad cinemática a 90 °C experimental y simulada. ............ 46
Tabla 23. Variación de la temperatura para 14 cSt experimental y simulada ........................ 46
Tabla 24. Temperatura y Presion del crudo reducido al Ingresar al Motor Hyundai 9H21/32 ... 47
xi
Lista de figuras
Figura 1. Diagrama de Viscosidad del Crudo ............................................................................ 6
Figura 2. Sistema de Tratamiento de Combustible .................................................................. 12
Figura 3. Diagrama de Bloques para Alimentación de Crudo Carga para las Unidades MPU ..... 35
Figura 4. Propiedades del Crudo Reducido para Black Oil ..................................................... 36
Figura 5. Datos Destilación TBP en % de Volumen Líquido .................................................. 37
Figura 6. Simulación Corriente de Entrada y Tanque TL-103 ................................................ 38
Figura 7. Simulación del Sistema de Purificación del Crudo .................................................. 38
Figura 8. Simulación Tanque Diario TL-104 .......................................................................... 39
Figura 9. Simulación Unidad de Bombas Booster ................................................................... 40
Figura 10. Intervalo de temperatura del crudo reducido dentro del diagrama de viscosidad
cinemática ................................................................................................................................ 43
Figura 11. Comportamiento de la Temperatura dentro del Rango de Viscosidad Cinemática ..... 48
Figura 12. Comportamiento de la presión dentro del rango de viscosidad cinemática. .......... 48
xii
Lista de anexos
ANEXO A Reporte De Ensayos Realizados A Las Muestras De Crudo Reducido .............. 60
ANEXO B Informe Destilación Tbp Crudo Lago Agrio Bloque 56 ..................................... 64
ANEXO C Reporte De Analisis Del Crudo Para El Diseño De La Central De Generacion Lago
Agrio ...................................................................................................................................... 66
ANEXO D Alarmas Para Los Sensores De Temperaruta Del Motor Hyundai 9h21/32 ....... 68
ANEXO E Poder Calorifo Inferior, en megajoules por kilogramo, de Crudo Residual ........ 69
ANEXO F Diametro Interior De La Tapa De Tambor De La Separadora Centrifuga .......... 70
xiii
Glosario
ASTM: Sociedad Americana para Pruebas y Materiales, por sus siglas en inglés (American
Society for Testing and Materials), es una organización de normas internacionales que
desarrolla y publica normas técnicas para una amplia gama de materiales, productos, sistemas
y servicios.
BPD: Barriles de fluido por día, unidad de flujo volumétrico que por lo general se utiliza para
hablar de petróleo y sus derivados.
CCAI: Índice de Aromaticidad al Carbono Calculado, por sus siglas en inglés (Calculated
Carbon Aromaticity Index), indica las características de combustión de un crudo residual.
CIMAC: Consejo Internacional sobre Motores de Combustión, por sus siglas en francés
(Conseil International des Machines à Combustion), es una organización que promueve el
conocimiento técnico y científico en el campo de los motores de combustión interna (motores
de pistón y turbinas de gas).
Destilación TBP: True Boiling Point, destilación discontinua de crudo que se realiza en una
columna de fraccionamiento, donde los productos de esta destilación se recogen del sistema a
partir de su punto de ebullición verdadero.
FO: Fuel Oil, fracción de petróleo que es residuo de la operación de destilación fraccionada.
GEA WESTFALIA: empresa alemana fabricante de la separadora centrifuga instalada en la
Central de Generación Hyundai Lago Agrio.
GPM: galones por minuto, unidad de flujo volumétrico.
HFO: heavy fuel oil, fracción pesada que es comúnmente conocida como combustible residual
MPU: Main Power Unit, término que sirve para hablar del principal dispositivo o equipo que
generara energía.
PPS: Package Power Station, por su traducción Estaciones de Generación Empacadas.
SEIP: Sistema Eléctrico Interconectado Petrolero.
xiv
SET POINT: se refiere al punto de ajuste o valor objetivo que se desea que tome una variable
de un proceso en un sistema.
SNI: Sistema Nacional Interconectado.
SOTE: Sistema de Oleoducto Transecuatoriano.
xv
TÍTULO: Estudio de factibilidad para el aprovechamiento de crudo reducido producido en la
Refinería de Lago Agrio Bloque 56 para utilizarse en generadores con motores Hyundai
modelo 9H21/32.
Autor: Gerardo Alexander Silva Ortiz
Tutor: Jorge Luis López Terán
Resumen
Se caracterizó el crudo reducido producido en la Refinería Lago Agrio B56 para la
determinación de la factibilidad operacional en generadores con motores Hyundai modelo
9H21/32, mediante el cumplimiento de los parámetros expresados en la Norma CIMAC N 21.
Se simuló las condiciones de temperatura, presión y flujo de entrada al motor en la Central de
Generación Hyundai Lago Agrio mediante el empleo del simulador Aspen Hysys 10. Se realizó
los ensayos experimentales del crudo reducido bajo las normas ASTM correspondientes, y se
llevó a un ambiente de simulación los datos obtenidos para conocer el comportamiento de la
viscosidad cinemática y la temperatura del crudo reducido antes de su ingreso al motor, los
resultados de la simulación demuestran que el crudo reducido debe llegar a una temperatura de
120 °C y 12.5 bar al ingreso al motor. Se concluye que el crudo reducido es apto para el uso en
los motores Hyundai 9h21/32 ya que cumple con parámetros mencionados en la Norma
CIMAC N21, pero ajustando el valor de cenizas del crudo reducido ya que una remoción baja
de las mismas genera un desgaste mecánico en las piezas del motor.
Palabras Claves: Caracterización de crudo reducido, Motor Hyundai 9h2132, Central de
generación Hyundai Lago Agrio, Simulación de proceso
xvi
TITLE: Feasibility study for the reduced crude harnessing produced in the Lago Agrio
Refinery, Block 56, to be used in generators with Hyundai model 9H21/32 engines.
Author: Gerardo Alexander Silva Ortiz
Advisor: Jorge Luis López Terán
Abstract
The reduced crude oil produced at the Lago Agrio B56 Refinery was characterized to determine
the operational feasibility in generators with Hyundai 9H21/32 model engines by complying
with the parameters expressed in the CIMAC N 21 Standard. The temperature, pressure, and
engine inlet flow at the Hyundai Lago Agrio Generation Plant were simulated using the Aspen
Hysys 10 simulator. Experimental tests of the reduced crude oil were carried out under the
corresponding ASTM standards. The data obtained was taken to a simulation environment to
know the kinematic viscosity behavior and the reduced crude oil temperature before entering
the engine. The simulation results show that the reduced crude oil should reach a temperature
of 120 °C and 12.5 bar at the engine inlet. It is concluded that the reduced crude oil is suitable
for use in Hyundai 9h21/32 engines since it meets the parameters mentioned in the CIMAC
N21 Standard but adjusting the ash value of the reduced crude oil since a low ash removal
generates mechanical wear in the engine parts.
Keywords: Reduced crude characterization, Hyundai engine 9h2132, Central generation
Hyundai Lago Agrio, Simulation process.
1
INTRODUCCIÓN
La industria petrolera desde sus inicios en el siglo XX hasta la actualidad ha necesitado un
consumo de energía eléctrica constante para el manejo de los hidrocarburos y sus derivados,
además para llevar a cabo diferentes actividades tales como; extracción, refinación y transporte,
entre otras. Utilizando para la generación de esta energía eléctrica principalmente combustibles
como diésel y fuel oil, además del consumo de gas asociado como reemplazo del diésel.
(LECBP, 2015)
Actualmente se conoce que la energía eléctrica a ser consumida en la industria petrolera puede
obtenerse aprovechando sus residuos entre los que se encuentra el crudo reducido, para el uso
en diferentes procesos y equipos como en el funcionamiento de motores generadores, calderas,
entre otros, logrando así disminuir el consumo de energía eléctrica procedente de fuentes
primarias (diésel, fuel oil, gas, etc.). Consecuentemente y en vista del desarrollo tecnológico
en la actualidad las petroleras utilizan motores que tienen la capacidad de llevar a cabo sus
operaciones utilizando diferentes combustibles ya sea a partir de derivados primarios del
petróleo, mezcla de los mismos o derivados de menor pureza como son los productos
residuales.
La empresa de Petroecuador EP (que hasta el 1 de enero del 2021 era conocida como
Petroamazonas EP) tiene un proyecto de Optimización de Generación Eléctrica, hoy llamado
Proyecto de Eficiencia Energética, cuyo objetico es sustituir el uso de diésel por gas, crudo o
crudo reducido, evitando la importación de diésel para generar ahorros económicos
sustanciales para la empresa y el país, pues con la aplicación de esta propuesta en otros campos
como el Bloque 15 Central de Producción y Facilidades (CPF) se han reportado resultados
favorables.
2
Por lo cual, en este trabajo se busca comprobar la factibilidad de usar el crudo reducido en los
motores Hyundai 9H21/32 que se encuentran instalados en la Central de Generación Hyundai
Lago Agrio, que han estado operativos desde el 25 de Septiembre del 2015, con 4 unidades de
generación Hyundai 9h21/32 (MPU1, MPU2, MPU3 y MPU4) las cuales consumen,
aproximadamente, 50 BPD cada una, el crudo que utilizan actualmente es proveniente de Lago
Central con 28.1 °API, la planta produce aproximadamente 1200 kW por unidad de generación,
las cuales a través del transformador SWGR-041 se integra al Sistema Eléctrico Interconectado
Petrolero (SEIP). (Petroamazonas, 2018)
El crudo reducido a analizar es el procedente de la Refinería del Bloque 56 (B56), ubicado en
la provincia de Sucumbíos, en el cantón Nueva Loja. La Planta de Refinación de Crudo, opera
desde el año 1972 (47 años en funcionamiento) diseñada para procesar 1000 BPD de crudo a
29°API, en los últimos meses ha procesado en promedio 778.9 BPD de crudo y ha enviado en
promedio 438 BPD de crudo reducido con 17.2 °API hacia el terminal sur de la Red de
Oleoductos del Distrito Amazónico (RODA). (Petroamazonas, 2017)
Consecuentemente por parte de Petroecuador EP no se aprovecha directamente el crudo
reducido producido en el Bloque 56 Lago Agrio, por lo que es de interés plantear su uso como
combustible en el Bloque 56 para generación de energía eléctrica por medio de generadores
Hyundai, ya que estos motores actualmente se encuentran trabajando con diésel o crudo carga
los cuales incrementan el costo de operación.
3
1. MARCO TEORICO
1.1. Crudo.
El crudo es una mezcla de cientos de compuestos de hidrocarburos que van desde el más
pequeño, el metano, con un solo átomo de carbón, hasta compuestos grandes que contienen
300 y más átomos de carbono. Una gran parte de estos compuestos son parafinas o isómeros
de parafinas. Además de la mezcla se originan diferentes fracciones de compuestos que son
obtenidos a partir de procesos de refinación para sus diferentes usos. (Treese & Jones, 2015,
p.5)
No todos los compuestos contenidos en el crudo son hidrocarburos. También están presentes
como impurezas pequeñas cantidades de azufre, nitrógeno y metales. La más importante y la
más común de estas impurezas es el azufre. Está presente en forma de sulfuro de hidrógeno y
compuestos orgánicos de azufre. Estos compuestos orgánicos están presentes a través de todo
el rango de ebullición de los hidrocarburos en el crudo. (Treese & Jones, 2015, p.6)
1.2. Crudo Reducido.
Es una fracción pesada obtenida de la destilación del petróleo, ya sea como destilado o como
residuo. En términos generales, el crudo reducido está formado por largas cadenas de
hidrocarburos, en particular alcanos, cicloalcanos y aromáticos. El término fuel oil no sólo se
aplica a los productos destilados sino también al material residual, que se distingue del fuel oil
de tipo destilado por el rango de ebullición y, por lo tanto, se denomina fuel oil residual (ASTM
D-396, 2019, p.1).
Por lo tanto, el fuel oil residual se encuentra fabricado a partir del residuo de destilación, y el
término incluye todos los fuel-oils residuales, incluido el obtenido por visbreaking, así como
4
por mezcla de otros productos residuales de otras operaciones de refinación o purificación del
crudo o sus derivados.
El análisis detallado de los productos residuales, como el fuel oil residual, es más complejo que
el análisis de los productos líquidos de menor peso molecular. Al igual que con otros productos,
hay una variedad de mediciones de propiedades físicas, tales como, densidad, viscosidad, poder
calórico entre otras; que se requieren para determinar si el fuel oil residual cumple con las
especificaciones, pero la gama de tipos moleculares presentes en los productos petroleros
aumenta significativamente con un incremento en el peso molecular (es decir, un aumento en
el número de átomos de carbono por molécula). Por lo tanto, las mediciones o estudios de
caracterización no pueden y no se enfocan en la identificación de estructuras moleculares
específicas. La atención tiende a centrarse en las clases moleculares (parafinas, naftenos,
aromáticos, compuestos policíclicos y compuestos polares) que son los grupos principales por
los cuales se derivan los diferentes tipos de crudos. (Speight, 2001, p.217)
1.3. Parámetros del Crudo Reducido requeridos por el motor-generador Hyundai
9H21/32.
El crudo reducido debe cumplir diferentes parámetros que están sujetos a las especificaciones
requeridas por el moto-generador Hyundai 9H21/32, estos parámetros están dados en forma de
recomendaciones por la Norma 25 CIMAC, dichas recomendaciones se aplican para el
combustible que es enviado a los tanques de reserva antes de ser enviado a los sistemas de
tratamientos apropiados (sistema de purificación del crudo) para el uso posterior del
combustible en el motor.
La calidad del crudo reducido en la entrada del motor es directamente relacionada con el
sistema de tratamiento y almacenamiento de combustible, así como por la influencia de las
propiedades con las que se entrega el crudo.
5
Tabla 1.
Especificaciones Crudo Reducido (CIMAC, 2003, pág. 10)
PROPIEDAD UNIDAD LÍMITE HFO (CIMAC H700)
Viscosidad Cinemática 𝑚𝑚2/𝑠
(cSt) Máx.
700 at 50°C
12.0 - 18.0
Densidad a 15 °C 𝑘𝑔/𝑚3 Máx. 991.0
1010.0 (A)
Punto de Inflamación. °C Min. 60
Punto de Vertido
(Calidad Invierno) °C Máx. 32
Residuo de Carbono % masa Máx. 22
15 (B)
Asfáltenos % masa Máx. 8
Cenizas % masa Máx. 0.15
0.03 (B)
Sedimento Total, potencial % masa Máx. 0.1
Agua % volumen Máx. 0.5
0.2 (B)
Azufre % masa Máx. 4.5
3.50 (B)
Índice Cetano - Min. -
Vanadio 𝑚𝑔/𝑘𝑔 Máx. 600
150 (B)
Sodio 𝑚𝑔/𝑘𝑔 Máx. 100
30 (B)
Aluminio + Silicón 𝑚𝑔/𝑘𝑔 Máx. 80
15 (B)
Partículas Solidas 𝑚𝑔/𝑘𝑔 Máx. 20
µm Máx. 5
CCAI 850 a 870
NOTA: (A) Equipo de purificación adecuado para densidad alta requerido.
(B) Valor límite antes de la entrada al motor para operación.
6
1.3.1. Viscosidad.
Es la propiedad de un fluido que presenta resistencia al movimiento relativo de sus moléculas
(Mott, 1996, p.27), la determinación de la viscosidad se realiza principalmente para conocer
las características de manejo (flujo) del petróleo a diferentes temperaturas dentro de un rango
de interés. Además, brinda información con la que se puede transferir el combustible desde
tanque de almacenamiento hacia sistemas de quemadores conociendo condiciones de
temperatura y presión.
La viscosidad es determinada en diferentes temperaturas (por lo general a 25°C/77°F y
100°C/212°F) al medir el tiempo que toma un volumen de líquido en fluir mediante la gravedad
a través de un viscosímetro de vaso capilar calibrado. (Speight, 2001, p.46).
Dentro del análisis de viscosidad, la norma CIMAC N°21 presenta un rango de viscosidad en
el que se recomienda que combustible se encuentre antes del ingreso a las bombas de inyección
del crudo, este rango es de 12 a 18 cSt para el crudo reducido como se muestra en la siguiente
figura.
Figura 1.
Diagrama de Viscosidad del Crudo (HIMSEN CIMAC H700, 2003, pág. 2)
7
1.3.2. Densidad del crudo.
Es la propiedad que describe la relación de la masa contenida dentro de un volumen
determinado de la sustancia u objeto sólido, esta propiedad se la utiliza en combinación con
otros resultados de ensayos para predecir la calidad del crudo, aunque hay varios métodos
disponibles para la medición de la densidad, la densidad (ASTM D-1298) es probablemente de
menor importancia en la determinación del rendimiento del fuel oil, pero se usa en el control
del producto, en las relaciones peso/volumen y en el cálculo del valor calorífico. (Speight,
2001, p.230)
1.3.3. Flash Point.
Es la temperatura a la que el vapor sobre el crudo destellará o explotará momentáneamente.
Como para todos los productos derivados de petróleo, se requieren consideraciones de
seguridad en el almacenamiento y transporte y, más particularmente, la contaminación por
productos más volátiles, de esto se deriva su importancia. (Treese & Jones, 2015, p. 11)
1.3.4. Punto de Vertido.
Es la temperatura más baja a la que el crudo fluirá en condiciones de temperaturas bajas.
Además, permite conocer los límites para poder transportar y manipular el crudo como el
bombeo en condiciones ambientales de invierno. Se lo enfatiza en ambientes de invierno ya
que mientras disminuye la temperatura ambiente, la viscosidad del crudo aumenta y se
aproxima al estado sólido. (Wauquier, 2004, p.314)
1.3.5. Asfaltenos.
Son hidrocarburos complejos de tipo aromático de alto peso molecular, que normalmente se
mantienen en suspensión coloidal en el combustible. El equilibrio entre los hidrocarburos
aromáticos de la matriz del combustible y los asfaltenos es responsable de mantener la
estabilidad del combustible. El combustible puede volverse inestable cuando se altera este
equilibrio. (CIMAC N25, 2006, p.11)
8
1.3.6. Cenizas y Contenido de Carbono
Los residuos de carbono sirven como un indicador de cuan propensa es una muestra para formar
depósitos de carbonos (Coque Térmico) bajo la influencia de calor.
La determinación de los residuos de carbón al crudo es aplicable a muestras relativamente no
volátiles que se descomponen a presión de destilación atmosférica. Las muestras que contienen
componentes formadores de cenizas tendrán un residuo de carbono erróneamente alto,
dependiendo de la cantidad de ceniza formada. (Speight, 2001, p.35)
1.3.7. Sedimentos Totales.
Se encuentran como pequeñas partículas dentro del combustible, que mediante separadoras
centrifugas pueden ser removidas, aunque no pueden ser removidas en su totalidad, la presencia
de los sólidos en pequeñas cantidades no afecta en el desempeño que la combustible entrega al
motor.
1.3.8. Agua en Crudo Residual.
El agua puede estar presente dentro del combustible en diferentes etapas del proceso de
refinación, distribución y/o almacenamiento. El agua está presente en forma de agua libre o
como agua emulsionada, siendo posible separarla mediante procesos de separadores
centrífugos. El agua no eliminada del combustible reducirá la energía entregada por el mismo
y puede provocar problemas de funcionamiento en los sistemas de combustible no diseñados
para ello. (CIMAC N25, 2006, p.8)
1.3.9. Contenido de Azufre en el crudo.
Este parámetro por lo general varía entre la cantidad de 0.05% a 5% en peso para crudo
residual, sulfuro de hidrogeno (𝐻2𝑆) y los mercaptanos (𝑅 − 𝑆𝐻), son producidos durante
procesos térmicos en refinación. Dentro de los procesos de refinación, varios de ellos apuntan
a reducir el contenido de azufre para mejorar la estabilidad del crudo y reducir las emisiones
nocivas para el medio ambiente.
9
1.3.10. Índice de Aromaticidad al Carbono Calculado (CCAI).
Es un índice de la calidad de ignición del crudo residual. Es obtenido mediante la relación
empírica que existe entre la densidad y la viscosidad. Esta calidad de ignición puede
relacionarse por la aromaticidad del combustible, que para este propósito puede ser definida
como el porcentaje de átomos de carbono están localizados en las estructuras densas de los
aromáticos. (CIMAC N21, 2003, p.18)
1.3.11. Vanadio en Crudo Residual.
Algunos metales están presentes en las cenizas como óxidos o sulfatos. La mayoría de las veces
los metales dominantes son vanadio y níquel. Estos metales no pueden ser removidos por
centrifugación, ya que son parte de la estructura orgánica del combustible. Estos metales se
convierten en corrosivos después de la combustión. Algunas componentes de sodio
contribuyen a la reducción del punto de fusión de la ceniza de vanadio que es corrosiva y dañina
para las válvulas de escape y los turbocompresores de los motores. (CIMAC N25, 2006, p.10)
1.3.12. Sodio en Crudo Residual.
El contenido de sodio dentro de un crudo es una variable que resulta principalmente de las
prácticas de producción utilizadas en el campo y a menor medida en el manejo dentro de los
tanqueros, que se llevan a las terminales. La sal en el petróleo crudo puede ser perjudicial de
varias maneras, e incluso en pequeñas concentraciones puesto que, las sales se acumulan en los
alambiques, calentadores e intercambiadores de calor, lo que produce un ensuciamiento que
requiere una limpieza costosa. Más importante aún, durante la vaporización rápida del petróleo
crudo, ciertas sales metálicas pueden ser hidrolizadas a ácido clorhídrico de acuerdo con las
siguientes reacciones:
2 𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑎𝑐) + 𝐻2𝑂(𝑙) → 2 𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑐) + 𝑁𝑎2𝑂(𝑠) (1)
𝑀𝑔𝐶𝑙2(𝑎𝑐) + 𝐻2𝑂(𝑙) → 2 𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑐) + 𝑀𝑔𝑂(𝑠) (2)
El ácido clorhídrico producido es extremadamente corrosivo, por lo que es necesario inyectar
un compuesto básico, como el amoníaco, en las líneas de transporte para minimizar el daño por
corrosión. Las sales y los ácidos producidos también pueden contaminar tanto los productos
como los residuales, y ciertas sales metálicas pueden desactivar los catalizadores. (Speight,
2001, p.42)
10
1.4. Motor Hyundai 9H21/32
El motor Hyundai 9H21/32 corresponde al grupo de Estaciones de Generación Empacadas
(PPS por sus siglas en ingles), dentro de sus puntos fuertes resalta la facilidad de transporte e
instalación. El motor es de 4 tiempos con un sistema de inyección directa de acción simple
junto con un turbo compresor la cual inyecta el aire a la cámara de combustión cuenta con 9
cilindros, diámetro del cilindro de 21 cm y carrera o recorrido del pistón de 32 cm, la potencia
de cada cilindro es de 200 kW y posee una razón de compresión de 17 a 1. El crudo actualmente
con el que opera este motor ingresa a una temperatura de 77 °C y presión de 8 bar.
Tabla 2.
Especificaciones Generales del Motor Hyundai 9H21/32 (Hyundai, 2012, pág. 23)
MOTOR HYUNDAI 9H21/32
Modelo del Motor 9H21/32
Motor (kW) 1.800
Generador (kW) 1.710 a 60Hz
Peso total (ton) 50
Dimensiones (W x H x L) 2.4m x 3.4m x 12m (Tamaño Contenedor)
Método de Refrigeración Radiador / Torre de enfriamiento
Velocidad 900 rpm / 1000 rpm
Combustible Diesel Oil / Heavy Fuel Oil
1.5. Sistema de tratamiento de Fuel Oil.
El sistema de generación eléctrica mediante combustibles posee varios sistemas auxiliares que
tienen como objetivo el acondicionamiento del combustible antes de su ingreso al motor y
llegar a cumplir parámetros para su correcto funcionamiento del motor; más específicamente
estos sistemas tienen como objetivos: Limpiar el fuel oil mediante la remoción de agua, sólidos
y materia suspendida en el combustible; acondicionar al fuel oil y prepararlo con los mejores
11
valores para la inyección al motor; por último, cuidar de la calidad los lodos resultantes de los
separadores, filtros autolimpiables, etc. (CIMAC, 2006).
Los sistemas de tratamiento que generalmente se utilizan en los sistemas de generación
eléctrica mediante los crudo o diésel son:
Bombas de Transferencia, son las bombas encargas de conducir el combustible hacia los
tanques de acondicionamiento, manejan un caudal elevado para poder surtir del volumen
diario de combustible a los tanques.
Tanques de acondicionamiento, estos tanques permiten el tiempo suficiente para la
remoción de agua y solidos del combustible; además, mantienen con la misma temperatura
al crudo para su ingreso al sistema de limpieza minimizando cualquier tipo de turbulencia
del fluido.
Sistema de limpieza de combustible, su propósito es de tratar de remover el agua y solidos
del crudo, mediante el uso de centrifugas para evitar que exista un desgaste excesivo de las
piezas mecánicas del motor o problemas distintos con su operación.
Tanques de Servicio, son tanque que almacenan temporalmente el combustible para
posteriormente enviarlo a las diferentes partes del sistema de generación eléctrica.
Sistema de acondicionamiento de Combustible, su propósito es de tratar el fuel oil que es
alimentado desde el tanque de servicio al motor, y cumplir con los requisitos de limpieza,
la velocidad de flujo, la presión y la viscosidad especificadas por el fabricante del motor.
Esto asegura la eficiencia del combustible y crea una base para una operación de bajo costo.
(CIMAC, 2006).
Sistema de tratamiento para Lodos Residuales. Este sistema debe reducir la cantidad de
lodo al mínimo mediante la remoción de agua tanto como sea posible y recuperar todo el
crudo que se pueda utilizar en otras facilidades.
12
Sistema de Agua y Aire para instrumentos. Proporciona aire y agua para que los
instrumentos puedan trabajar apropiadamente, dentro de estos sistemas también se
encuentran los sistemas contra incendios esenciales para cualquier emergencia que se pueda
generar un mal funcionamiento del motor y conlleve a la aparición de un incendio.
Figura 2.
Sistema de Tratamiento de Combustible. (CIMAC, 2006, pág. 14)
1.6. Simulador Aspen HYSYS V10.
1.6.1. Generalidades.
Es un software que simula procesos químicos, físicos, petroquímicos, como: destilaciones,
reacciones químicas, reacciones dentro de reactores, transporte de fluidos entre otros; del tipo
modular secuencial, desarrollado por Aspen Technology Inc. Permite desarrollar simulaciones
en estado estacionario y dinámico, balance de materia y energía, cálculo de propiedades
fisicoquímicas, dimensionamiento de equipos, cálculo de cargas de calor, requerimientos de
energía, equilibrio químico y de fases. (Hyprotech, 2003).
13
1.6.2. Paquete termodinámico.
El software usa el término de Paquete de Fluido o su equivalente en ingles Fluid Package para
referirse al conjunto de información necesaria para desarrollar cálculos físicos de las
propiedades de los componentes de un sistema especificado.
Mediante aproximaciones y ecuaciones permite definir la información necesaria para
caracterizar una entidad o un conjunto de las mismas, dentro del software se refiere a entidad
como: componentes o paquete de componentes, propiedades, parámetros de interacción,
reacciones, datos tabulares, componentes hipotéticos etc. (Hyprotech, 2003).
1.6.3. Caracterización de crudos.
Esta función proporcionada por Aspen Hysys permite convertir los análisis de laboratorio de:
condensados, petróleos crudos, cortes de petróleo, componentes livianos, además de breas o
asfaltos livianos en una serie de componentes hipotéticos identificados por el punto de
ebullición que tiene cada uno.
Los componentes hipotéticos del petróleo o derivados conforman la base para que el software
mediante el paquete termodinámico calcule y prediga las propiedades restantes asociadas a
estos, para modelar el fluido como corriente. El software procesa toda esta información
mediante la herramienta Oil Manager. (Hyprotech, 2003)
La información mínima de datos que requiere el software para caracterizar un crudo es: una
curva de destilación realizada en laboratorio o por lo menos tres de las siguientes propiedades
del crudo a caracterizar: peso molecular, densidad, factor de caracterización KUOP o
viscosidades (cinemáticas o dinámicas) a dos temperaturas diferentes.
1.7. Factibilidad Tecnológica.
Esta factibilidad se define como la posibilidad tecnológica de llevar a cabo un proyecto, es
decir, si se dispone de los equipos necesarios para llevar a cabo los procesos implicados en el
14
proyecto. Por otro lado, este tipo de factibilidad tiene relación con la factibilidad operacional
que comprende la determinación si un proyecto nuevo o modernización de uno ya existente
cumple con parámetros, métodos y procedimientos para su correcta función, además, cumpla
con los objetivos planteados a partir de los respectivos cambios que puede existir en el proceso.
Este tipo de estudios corresponden a un avance continuo que permita mejorar el proceso ya sea
mediante el reemplazo de maquinaria o personal, o a su vez de la materia prima con la que
trabaja el proceso. (Urbina, 2010, p. 7)
15
2. MARCO EXPERIMENTAL
2.1 Proceso Experimental.
Se procede al análisis de tres muestras de crudo reducido de la Refinería de Lago Agrio B56,
dentro del complejo, las muestras son tomadas una vez el crudo reducido ha cedido calor al
crudo carga de la Torre de destilación en el intercambiador de calor, en este punto de
recolección la muestra tiene una temperatura de 130 °C.
Muestra #1 tomada el día 10 de mayo del 2019
Muestra #2 tomada el día 31 de mayo del 2019
Muestra #3 tomada el día 09 de agosto del 2019
Estas muestras fueron proporcionadas por Petroecuador EP y se enviaron desde la Refinería de
Lago Agrio B56 hacia Quito asegurando la cadena de custodia y la cadena de frio mediante el
uso de contenedores térmicos que impiden la transferencia de calor, con el fin de minimizar la
perdida de componentes volátiles remanentes de la muestra por cambios de temperatura.
2.2 Materiales y Equipos.
Todos los materiales y equipos utilizados para la determinación del valor de los parámetros del
crudo reducido se encuentran especificados en las normas ASTM, las cuales son guías para
poder obtener la caracterización del crudo reducido, las mismas son descritas en la Tabla 3.
El proceso experimental fue desarrollado en los laboratorios de la Facultad de Ingeniería
Química de la Escuela Politécnica Nacional y en los laboratorios de la Central Guangopolo
16
CELEC EP Termopichincha, utilizando convenios que Petroecuador EP mantiene con dichas
instituciones para el análisis experimental de muestras de crudo.
2.3 Normas para la Caracterización del Crudo Reducido.
Para obtener la caracterización del crudo reducido se lo realizó mediante el uso de las normas
ASTM para hidrocarburos, donde se detalla el procedimiento a seguir para determinar los
valores de los parámetros requerido; como se menciona en el punto 1.3, el crudo reducido debe
cumplir con las recomendaciones dadas por la norma CIMAC N° 21 que es la norma con la
que se rige el motor generador Hyundai 9H21/32
Tabla 3.
Ensayos ASTM usados para caracterizar el crudo reducido
Ensayo Norma
Método de prueba estándar para determinar la gravedad API del petróleo crudo y
productos derivados del petróleo. ASTM D-287
Método de prueba estándar para determinación de la viscosidad cinemática de
líquidos transparentes y opacos. ASTM D-445
Método de prueba estándar para determinación del punto de inflamación por medio
de analizador Pensky-Martens de vaso cerrado.
ASTM D-93
Método de prueba estándar para punto de fluidez de productos derivados del petróleo. ASTM D-97
Método de prueba estándar de Conradson para la determinación de residuos de
carbono en productos derivados del petróleo. ASTM D-189
Método de prueba estándar para n-heptano insoluble (asfaltenos). ASTM D-3279
Método de prueba estándar para determinar la cantidad de ceniza en productos
derivados del petróleo. ASTM D-482
Método de prueba estándar para determinación de azufre en petróleo y productos
derivados del petróleo mediante espectrofluorimetría de rayos X por dispersión de
energía
ASTM D-4894
Método de prueba estándar para la destilación de mezclas de hidrocarburos pesados
(método de potstill al vacío) ASTM D-5236
17
2.4 Datos Experimentales
Densidad API del Crudo.
El crudo reducido presenta una densidad API corregida a 15°C de, 15.67 °API que equivalen a
960.6 kg/m3.
Los datos obtenidos de los diferentes ensayos se reportan en las siguientes tablas.
Tabla 4.
Datos ensayo punto de fluidez.
Propiedad Unidad Valor
Punto de Fluidez. °C 4
Tabla 5.
Datos de ensayo de residuos carbono Conradson.
N Masa Crisol
Vacío, g
Peso Muestra,
g
Masa del crisol con
Cenizas, g
1 38.1549 10.2662 39.41
2 29.4448 10.0574 30.74
Tabla 6.
Datos de Análisis SARA y el % Asfáltenos
N % Saturados % Aromáticos % Resinas % Asfáltenos
1 37.24 25.76 26.05 4.81
18
Tabla 7.
Datos de los ensayos de cenizas
N Masa Crisol
Vacío, g
Peso Muestra,
g
Masa de Crisol con
muestra, g
Masa del crisol con
Cenizas, g
1 38.1558 10.2662 47.2755 38.4079
2 29.4468 10.0574 37.9242 29.6862
Tabla 8.
Datos de cantidad de azufre en ppm
N Azufre, ppm
1 5963
2 5976
3 5974
Promedio 5971
Tabla 9.
Datos de Viscosidad cinemática a diferentes temperaturas.
Temperatura
A B C
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3
°C cSt cSt cSt
40 371.1 1171 801.1
50 171.5 468.6 307
70 60.75 120.4 86.79
100 20.83 35.47 26.69
19
A B C
Temperatura Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3
110 15.71 25.92 19.54
120 12.42 19.46 14.81
130 9.474 15.07 11.68
140 7.656 11.9 9.208
2.4.1. Destilación TBP de Crudo Reducido.
Estos datos son tomados del reporte de Destilación TBP del crudo Lago Agrio Bloque 56, como
es de interés el uso de los datos de la destilación al vacío no se usan todos los datos del reporte
(ver ANEXO C)
Tabla 10.
Datos de Destilación TBP
Presión de Operación
N° Corte
Temperatura inferior
°C
Temperatura superior
°C
Temperatura media
°C
Volumen ml
Volumen Acumulado
ml
Destila
ció
n a
l va
ció
4 m
mH
g
1 236 261 248.5 220 220
2 261.0 286.0 273.5 255 475
3 286.0 311.0 298.5 340 815
4 311.0 336.0 323.5 590 1405
5 336.0 361.0 348.5 700 2105
6 361.0 386.0 373.5 585 2690
7 386.0 400.0 393.0 115 2805
2.5 Datos Adicionales del Crudo Reducido.
Estos datos hacen referencia al análisis de sedimentos y metales que componen el crudo
reducido.
20
Tabla 11.
Datos adicionales de Crudo Reducido.
Ensayo Valor Unidad Método
Aluminio 1.0 mg/kg ASTM D-6595
Silicio 27 mg/kg ASTM D-6595
Sodio 2.3 mg/kg ASTM D-6595
Vanadio 31 mg/kg ASTM D-6595
Contenido de Agua y
Sedimentos < 0.05 % (V/V) ASTM D-1796
Contenido de Agua < 0.01 % (V/V) ASTM D-95
2.6 Datos de Set Point del Control de Viscosidad.
El controlador de viscosidad cinemática (KL-101 C) reporta los siguientes valores como su
rango de operación.
Tabla 12.
Valores Set Point Control de Viscosidad
Parámetro Valor (cSt)
Set 14
Valor Superior (High) 16
Valor Inferior (Low) 12
2.7 Datos de Tuberías del Sistema.
Los datos de las tuberías corresponden a las principales del sistema de Acondicionamiento del
crudo reducido, estas transportan el crudo por todo el proceso dentro de la Central de
Generación Hyundai Lago Agrio.
21
Tabla 13.
Longitud, diámetro y temperatura de operación de Tuberías.
Línea
Diámetros Distancia Temperatura Viscosidad
in m m 15% °C cSt
C-2"-117-IH 2 0.0508 16.052 18.46 90 39.033
C-1 1/2"-139-IE 1.5 0.0381 16.052 18.46 98 29.542
C-2"-114-IH 2 0.0508 30.88 35.51 100 27.663
C-2 1/2"-116-IE 2.5 0.0635 5.195 5.97 132 11.509
2.8 Datos de Tanques.
Los datos a continuación hacen referencia a las dimensiones de los tanques, cabe recalcar que
los tanques poseen la misma dimensión.
Tabla 14.
Dimensiones Tanque TL-103 y TL-104
Parámetro Valor
Longitud (m) 5.29
Ancho (m) 2.04
Altura (m) 2.4
Espesor de aislamiento en paredes laterales (in) 2
Espesor de aislamiento en el techo (in) 0
Volumen del tanque (𝑚3) 19.42
22
3. CÁLCULOS
3.1 Cálculo de Flash Point Teórico del Crudo Reducido.
Se calcula el valor de Flash Point Teórico para compararlo con el valor que es calculado por el
simulador y cuantificar el grado de error que tienen los dos métodos; este cálculo utiliza la
correlación API 2 B7 (1987), que se describe como:
𝐹𝑃 = (−0.014568 +2.84947
𝑇10%+ 1.903 ∗ 10−03 ∗ ln(𝑇10%))
−1
(3)
Donde:
FP: Flash Point, °R
𝑇10%: Temperatura para la fracción de petróleo ASTM D86 10%, °R.
𝐹𝑃 = (−0.014568 +2.84947
1065.58+ 1.903 ∗ 10−03 ∗ ln(1065.58))
−1
𝐹𝑃 = 728.6305 °𝑅
𝐹𝑃 = 131.65 ℃
3.2 Cálculo de Residuos de Carbono Conradson.
Como se describe en la norma ASTM D-189, el porcentaje de residuos de carbono Conradson
se calcula como una relación de masa de la muestra y la masa de carbono. Los datos para el
cálculo son tomados de la Tabla 5.
23
%𝑅𝑅𝐶 =𝑚𝑐𝑐 − 𝑚𝑐𝑣
𝑝𝑚∗ 100 (4)
Donde:
%RRC: Porcentaje de residuos de carbono Conradson.
𝑚𝑐𝑐: Masa crisol con ceniza, g.
𝑚𝑐𝑣: Masa crisol vacío, g.
𝑝𝑚: Peso muestra, g.
%𝑅𝑅𝐶 =39.4083 − 38.1549
10.2662∗ 100
%𝑅𝑅𝐶 = 12.21%
3.3 Cálculo de la Cantidad de Ceniza.
Como se describe en la norma ASTM D-482, el porcentaje de cenizas en el petróleo se
calcula como una relación de masa de la muestra y la masa de carbono. Los datos para el
cálculo son tomados de la
Tabla 7.
%𝐶𝐶 = 𝑚𝑐𝑐 − 𝑚𝑐𝑣
𝑚𝑐𝑚 − 𝑚𝑐𝑣∗ 100 (5)
Donde:
%CC: Porcentaje de cantidad de ceniza.
𝑚𝑐𝑐: Masa crisol con ceniza, g.
𝑚𝑐𝑣: Masa crisol vacío, g.
24
𝑚𝑐𝑚: Masa crisol con muestra, g.
%𝐶𝐶 = 38.4079 − 38.1558
47.2755 − 38.1558∗ 100
%𝐶𝐶 = 2.76%
3.4 Cálculo del Índice CCAI.
El índice será calculado bajo la relación empírica que existe entre la densidad, la viscosidad y
el rendimiento de ignición del combustible.
𝐶𝐶𝐴𝐼 = 𝜌 − 81 − 141 ∗ log[log(𝜐 + 0.85)] − 483 ∗ log (𝑇 + 273
323) (6)
Donde:
𝑇: es la temperatura en grados Celsius a la que la viscosidad cinemática es determinada
𝜐: es la viscosidad cinemática, en milímetros cuadrados por segundo
𝜌: es la densidad a 15 °C, en kilogramos por metro cúbico.
𝐶𝐶𝐴𝐼 = 960.6 − 81 − 141 ∗ log[log(14 + 0.85)] − 483 ∗ log (122.18 + 273
323)
𝐶𝐶𝐴𝐼 = 827.588
3.5 Cálculo de Poder Calorífico Inferior.
Para crudos residuales se puede calcular el Poder Calorífico Inferior utilizando la siguiente
ecuación con un grado de exactitud derivado de los ensayos asociados a la ecuación. A su vez
el cálculo se lo puede obtener mediante la correlación grafica entre la densidad determinada a
15 °C junto con el porcentaje de azufre en el crudo reducido como se muestra en el ANEXO
E.
25
𝐿𝐻𝑉 = (46.704 − 8.802 ∗ 𝜌152 ∗ 10−6 + 3.167 ∗ 𝜌15 ∗ 10−3) ∗ [1 − 0.01(𝑤 + 𝑎 + 𝑠)]
+ 0.0942 ∗ 𝑠 − 0.024 ∗ 𝑤 (7)
Donde:
LHV: Poder calórico inferior en mega Joules por kilogramo
𝜌15: Densidad a 15 °C, en kilogramos por metro cubico.
𝑤: contenido de agua, expresado como porcentaje en masa
𝑎: contenido de cenizas, expresado como porcentaje en masa
𝑠: contenido de azufre, expresado como porcentaje en masa
𝐿𝐻𝑉 = (46.704 − 8.802 ∗ 960.42 ∗ 10−6 + 3.167 ∗ 960.4 ∗ 10−3)
∗ [1 − 0.01(0.1 + 2.79 + 0.5971)] + 0.0942 ∗ 0.5971 − 0.024 ∗ 0.1
𝐿𝐻𝑉 = 40.23𝑀𝐽
𝐾𝑔
3.6 Cálculo de Balance de Energía en Tanque de Reposo.
Con el cambio de crudo, es importante conocer si los calentadores electro sumergibles que
poseen los tanques de reserva diaria (TL-103) y el tanque de almacenamiento temporal (TL-
104) pueden suministrar la energía necesaria para elevar la temperatura del crudo reducido. El
crudo reducido debe permanecer en 90 °C dentro de los tanques descritos anteriormente.
Para este cálculo se realiza el balance de energía del tanque mediante el uso de la transferencia
de calor de los mismos.
𝑄𝑖𝑛 = 𝑄𝑜𝑢𝑡 − ∆𝑈
∆𝑡 (8)
Donde
26
𝑄𝑖𝑛: Calor que ingresa por el calentador del tanque
𝑄𝑜𝑢𝑡 : Calor perdido por operación del tanque
∆𝑈: Variación de energía interna del fluido
∆𝑡: Variación de tiempo de operación.
El calor perdido por el tanque se calcula mediante la sumatoria del calor de convección,
conducción y radiación
Para la pared sin fluido: 𝑞𝑑 = 𝑈𝑑 ∗ 𝐴𝑑 ∗ (𝑇𝑣 − 𝑇𝐴) (9)
Para la pared con fluido: 𝑞𝑤 = 𝑈𝑤 ∗ 𝐴𝑤 ∗ (𝑇𝐿 − 𝑇𝐴) (10)
Para el fondo del tanque: 𝑞𝑏 = 𝑈𝑏 ∗ 𝐴𝑏 ∗ (𝑇𝐿 − 𝑇𝐶) (11)
Para el techo del tanque: 𝑞𝑟 = 𝑈𝑟 ∗ 𝐴𝑟 ∗ (𝑇𝑣 − 𝑇𝐴) (12)
Total: 𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝑞𝑑 + 𝑞𝑤 + 𝑞𝑏 + 𝑞𝑟 (13)
Donde.
𝑞𝑑: Calor de la pared que tiene contacto con vapor generado por el fluido
𝑞𝑤: Calor de la pared que tiene contacto el fluido
𝑞𝑏: Calor de la pared inferior del tanque
𝑞𝑟: Calor del techo del tanque
𝑈𝑑: Coeficiente de transferencia global de la pared con contacto al vapor del fluido
𝑈𝑤: Coeficiente de transferencia global de la pared con contacto al fluido
𝑈𝑏: Coeficiente de transferencia global de la pared inferior del tanque.
𝑈𝑟: Coeficiente de transferencia global del techo del tanque.
𝐴𝑑: Área de transferencia de calor de la pared que tiene contacto con el vapor del fluido
𝐴𝑤: Área de transferencia de calor de la pared que tiene contacto al fluido
27
𝐴𝑏: Área de transferencia de calor de la pared inferior del tanque
𝐴𝑟: Área de transferencia de calor del techo del tanque.
𝑇𝑉: Temperatura del vapor, °C
𝑇𝐴: Temperatura ambiente, °C
𝑇𝐿: Temperatura del Líquido, °C
𝑞𝑑 = 13.1965 ∗ (90 − 35)
𝑞𝑑 = 725.81 𝑘𝐽/ℎ
𝑞𝑤 = 267.6416 ∗ (90 − 35)
𝑞𝑤 = 14720.29
𝑞𝑏 = 165.6733 ∗ (90 − 20)
𝑞𝑏 = 11597.13𝑘𝐽
ℎ
𝑞𝑟 = 15.0158 ∗ (90 − 35)
𝑞𝑟 = 825.87 𝑘𝐽/ℎ)
𝑄𝑜𝑢𝑡 = 725.81 + 14720.29 + 11597.13 + 825.87
𝑄𝑜𝑢𝑡 = 27869 𝑘𝐽/ℎ
𝑄𝑖𝑛 = 27869 − 931136
8
𝑄𝑖𝑛 = 27869 − 116392
𝑄𝑖𝑛 = 13320 𝑘𝐽/ℎ
𝑄𝑖𝑛 = 3.7𝑘𝑊
28
3.7 Cálculo de Velocidad de Fluido y Caída de presión en tubería.
Estos cálculos se desarrollan en cinco tuberías del sistema que son las principales
especificadas en la Tabla 13.
Longitud, diámetro y temperatura de operación de Tuberías., a las que se aumenta un 15% de longitud para
asegurar un rango de seguridad en los cálculos, además se considera la temperatura a la que
fluirá el crudo para colocar el valor apropiado de la viscosidad del crudo reducido que recorre
la tubería.
El caudal que se utilizará para las tuberías será de 200 𝐵𝐿𝑆/𝐷 equivalente a 1.32 𝑚3/ℎ .
3.7.1. Cálculo área de Tubería.
𝐴 = 𝜋 ∗𝐷2
4 (14)
Donde:
𝐴: Área de la tubería, en 𝑚2
D: Diámetro interno de la tubería, en 𝑚
𝜋: Número adimensional Pi.
𝐴 = 3.1416 ∗0.05082
4
𝐴 = 2.027 ∗ 10−3 𝑚2
3.7.2. Cálculo de la velocidad de fluido.
𝑉 =𝑄
𝐴 (15)
Donde:
𝑉: Velocidad del fluido, en 𝑚/𝑠.
Q: Caudal del fluido, en 𝑚3/𝑠
29
A: Área de la Tubería, en 𝑚2
𝑉 =3.67 ∗ 10−4
2.027 ∗ 10−3
𝑉 = 0.18𝑚
𝑠
3.7.3. Cálculo del Número Adimensional Reynolds.
Para el cálculo modelo se toma en cuenta la línea de fluido, C-2”-117-IH, cuyos datos están
especificados en la Tabla 13, para el valor de viscosidad y longitud.
𝑅𝑒 =𝑉 ∗ 𝐿
𝜈 (16)
Donde:
Re: Numero adimensional de Reynolds.
V: Velocidad de Fluido, en 𝑚/𝑠
L: Longitud característica de la tubería, en 𝑚
𝜈: Viscosidad cinemática, en 𝑚2/𝑠
𝑅𝑒 =0.181 ∗ 18.46
3.903 ∗ 10−5
𝑅𝑒 = 8.556 ∗ 104
3.7.4. Cálculo de pérdidas por fricción en la tubería.
𝑓 =1.325
[log (𝜀
3.7 ∗ 𝐷 +5.74𝑅𝑒0.9)]
2 (17)
ℎ𝑓 = 𝑓 ∗𝐿
𝐷∗
𝑉2
2 ∗ 𝑔 (18)
Donde:
𝑓: Número adimensional Fanning.
ℎ𝑓: Perdidas por Fricción, en 𝑚
30
𝜀/𝐷: Rugosidad Relativa.
𝑅𝑒: Número Adimensional Reynolds.
𝐿: Longitud de tubería, en 𝑚
𝐷: Diámetro de tubería, en 𝑚
𝑉: Velocidad de fluido, en 𝑚/𝑠
𝑔: Aceleración de la gravedad, en 9.8𝑚
𝑠2
𝑓 =1.325
[log (0.02
3.7 ∗ 0.0508+
5.74
8.556 ∗ 1040.9)]2
𝑓 = 1.4019
ℎ𝑓 = 𝑓 ∗𝐿
𝐷∗
𝑉2
2 ∗ 𝑔
ℎ𝑓 = 1.4019 ∗18.16
0.0508∗
0.1809
2 ∗ 9.8
ℎ𝑓 = 0.8507 𝑚
3.7.5. Cálculo de la Caída de Presión.
Δ𝑃 = ℎ𝑓 ∗ 𝜌 ∗ 𝑔 (19)
Donde:
Δ𝑃: Caida de Presión, en 𝑃𝑎
ℎ𝑓: Perdidas por fricción, en 𝑚
𝜌: Densidad del fluido, en 𝑘𝑔/𝑚3
𝑔: Aceleración de gravedad, en 𝑚/𝑠2
Δ𝑃 = 0.8507 ∗ 960.6 ∗ 9.8
Δ𝑃 = 8008.72 𝑃𝑎
Δ𝑃 = 8.01 𝑘𝑃𝑎
31
3.8 Cálculo del Rango de Temperatura Operación del Crudo.
En base a la cantidad de datos obtenidos de la viscosidad cinemática se procede a calcular el
rango con el que el crudo reducido debe ingresar al motor Hyundai 9h21/32, tomando en cuenta
el set point del Control de Viscosidad como se muestra en la Tabla 12.
Mediante el uso de estadística, se busca el intervalo de confianza donde se puede asegurar que
la media de los datos de temperatura del crudo reducido estará dentro del rango de la viscosidad
cinemática, ya que existe una relación inversamente proporcional entre la temperatura del
crudo y la viscosidad cinemática del mismo.
Se utiliza la distribución t de Student, ya que esta es apropiada para tamaños de muestras
menores a 30 como en este caso. Los datos para el cálculo son tomados de laTabla 9 que relaciona
la viscosidad con su temperatura asociada, teniendo como limite el set point programado del
Control de Viscosidad del sistema.
3.8.1. Cálculo de la Media Aritmética.
�̅� =∑ 𝑋
𝑛 (20)
Donde:
�̅�: Media Aritmética
𝑋: Valores de las muestras.
𝑛: Número de Valores.
�̅� =∑(114.78 + 133.01 + 122.18)
3
�̅� = 123.323 ℃
32
3.8.2. Cálculo de la Desviación Estándar.
𝑠 = √(∑(𝑋 − �̅�2))
𝑛 − 1 (21)
Donde:
�̅�: Media Aritmética
𝑋: Valores de las muestras.
𝑛: Número de Valores.
𝑠 = √(114.78 − 123.323)2 + (133.01 − 123.323)2 + (122.18 − 123.323)2
3 − 1
𝑠 = √168.127
2
𝑠 = 9.169 ℃
3.8.3. Cálculo de grado de libertad para el análisis estadístico.
𝑔𝑙 = 𝑛 − 1 (22)
Donde:
𝑔𝑙: Grado de libertad.
𝑛: Número de Valores.
𝑔𝑙 = 3 − 1
𝑔𝑙 = 2
3.8.4. Cálculo del error estimado de la media.
𝑠�̅� =𝑠
√𝑛 (23)
Donde:
𝑠�̅�: Error estimado de la media.
33
𝑠: Desviación estándar.
𝑛: Número de Valores.
𝑠�̅� =9.169
√3
𝑠�̅� = 5.2935 ℃
3.8.5. Valor t para un 90% de Confianza.
Este valor se lo obtiene de las tablas asociadas a la Distribución t, tomando los valores de del
cálculo 3.8.3 y el valor de que refiere al 10% de error.
𝑡𝑔𝑙 = 2.92
3.8.6. Cálculo del Intervalo de Confianza.
𝐼𝐶 = �̅� ± 𝑡𝑔𝑙 ∗ 𝑠�̅� (24)
Donde:
𝐼𝐶: Intervalo de Confianza
�̅�: Media Aritmética
𝑡𝑔𝑙: Valor t para los grados de libertad y el porcentaje de confianza.
𝑠�̅�: Error estimado de la media.
𝐼𝐶 = 123.323 + 2.92 ∗ 5.2935
𝐼𝐶 = 138.780 ℃
𝐼𝐶 = 123.323 − 2.92 ∗ 5.2935
𝐼𝐶 = 107.866 ℃
3.9 Simulación del Proceso de Acondicionamiento del Crudo Reducido.
34
En la simulación de este proceso se utiliza el programa Aspen Hysys 10, cuya licencia fue
proporcionada por Petroecuador EP, para la obtención de los parámetros necesarios para el
análisis de factibilidad posterior.
3.9.1. Descripción del proceso de obtención del Crudo Reducido.
La destilación de crudo carga se la realiza en la torre de destilación, el producto de fondo de
esta torre es crudo reducido (residuo) que es retirado del fraccionador mediante tres bombas
verticales de 24 GPM cada una; el flujo es conducido hacia los intercambiadores de calor y
luego hacia el almacenamiento.
El sistema de intercambio de calor tipo tubos y carcasa, es un sistema por el cual dentro de los
tubos fluye crudo carga y en la carcasa fluye el crudo reducido, este sistema tiene una capacidad
de intercambio de 2.2 MM BTU/HR y consistentes en dos camisas concéntricas superiores (A)
y cuatro camisas de intercambio inferiores (B), por las que se realiza la transferencia de calor
entre el crudo reducido (residuo) y el crudo de carga. Mediante este proceso, el crudo
incrementa su temperatura a 140 °C. Luego de que el crudo reducido ceda parte de su calor, es
almacenado en dos tanques con una capacidad aproximada de almacenamiento de 1000
barriles, estos tanques poseen una temperatura de operación de 110°C, para posteriormente ser
enviado al oleoducto.
El crudo reducido es trasportado por medio de tanqueros desde los tanques de almacenamiento
del crudo reducido hacia el tanque de reserva diaria de crudo del sistema de Generación
Hyundai Lago Agrio, mediante este transporte se estima una disminución en la temperatura de
20°C, por lo tanto, el crudo reducido entra al tanque de reserva diaria a 90°C.
3.9.2. Descripción del proceso de Acondicionamiento del Crudo Carga en operación.
Dentro de las facilidades para el tratamiento de crudo se encuentran: Unidad de Tanques,
Unidad de Purificadora de Fuel Oil y la Unidad Booster de Fuel Oil.
Desde el tanque de reserva diaria TL-103, el crudo se dirige hacia la Unidad Purificadora de
FO, por medio de la bomba PL-109A a una presión de 4 bar y temperatura de 42 °C, entrando
35
al calentador de crudo EL-101A donde alcanza 90°C antes de ser dosificado al separador
centrifugo ML-101A el que opera a 12000 rpm y 2 bar de presión y una vez culminado este
proceso el crudo es dirigido al tanque de almacenamiento temporal TL-104.
En el tanque TL-104 el crudo se calienta a 72 °C, después es bombeado por PL-105ª donde
entra a 0.5 bar y aumenta su presión hasta 5.2 bar con un caudal de 2.4 m3/h, posteriormente
entra al tanque de venteo TL-106 el que opera a 80 °C, mediante la bomba PL107A el crudo
eleva su presión de 3.6 bar hasta 9 bar, a continuación el crudo se dirige al calentador AL-102
donde se corrige la temperatura del crudo para alcanzar una viscosidad dentro del rango que se
encuentra programado el controlador de viscosidad (viscosímetro) KL-101, que se encuentra
con un set de 14cSt, finalmente el crudo entra a las unidades MPU a 77 °C y 8 bar de presión.
Cabe recalcar que, mediante el levantamiento de información de la Central de Generación Lago
Agrio, se encontró que el sistema de control de viscosidad (KL-101) y el calentador (AL-102)
no se encuentran en operación. Por lo tanto, en la operación de este sistema no se está
realizando el control adecuado de la viscosidad del crudo.
Figura 3.
Diagrama de Bloques para Alimentación de Crudo Carga para las Unidades MPU.
36
3.9.3. Parámetros de entrada para el Crudo Reducido en el Simulador Aspen HYSYS 10.
El Simulador Aspen HYSYS requiere para iniciar, un Paquete de Fluido y una Lista de
Componentes, por lo general un sistema de hidrocarburos se lo puede simular eligiendo el
modelo Peng-Robinson que es ideal para los cálculos del Equilibro Liquido Vapor de estos
sistemas.
Al no poseer un reporte de composición del crudo, se puede aproximarla mediante el uso de un
Black Oil y el uso de propiedades conocidas del crudo a analizar. Para el uso con el crudo
reducido se va a colocar como se muestra en la figura.
Figura 4.
Propiedades del Crudo Reducido para Black Oil.
37
En el análisis Black Oil se puede ingresar datos de más ensayos a diferentes cortes del crudo o
ensayos ASTM, en el caso del crudo reducido se ingresa los datos de la Destilación TBP, los
cuales se encuentran especificados en la Tabla 10.
Figura 5.
Datos Destilación TBP en % de Volumen Líquido.
38
Una vez calculado la corriente de entrada se coloca los datos de temperatura y presión, que en
este caso serán de 90 °C y 1.19 psig respectivamente, se agrega el flujo que tiene el crudo
reducido que es de 200 BPD que es equivalente a 1.325 𝑚3/ℎ. Además, se asegura que el
cálculo del punto flash del crudo sea el mismo del que se especifica en el cálculo 3.1, con un
valor de 134.7 °C.
Figura 6.
Simulación Corriente de Entrada y Tanque TL-103
La especificación que se tiene del Tanque de reserva diaria (TL-103) es de su calentador electro
sumergible cuya capacidad es de 10 kW, en la simulación no se especifica este dato, ya que se
especifica la temperatura de salida del crudo reducido con el valor de 95 °C para asegurar que
exista una mínima fracción de gas en el tanque.
A continuación, el crudo se dirige al sistema de Purificación del Crudo, mediante la bomba PL-
109 que aumenta la presión hasta 4 bar, además, el crudo reducido aumenta su temperatura a
98 °C mediante el calentador EL-101, esta es una recomendación de los fabricantes de la
separadora centrifuga tomando en cuenta las propiedades del crudo reducido, para después
dirigirse al Tanque Diario TL-104.
Figura 7.
Simulación del Sistema de Purificación del Crudo.
39
El crudo reducido se dirige al Tanque TL-104 donde se eleva su temperatura hasta los 100 °C,
al igual que el anterior tanque se realiza este aumento de temperatura para asegurar que no
exista ningún tipo de fracción de gas en el tanque y así evitar cualquier que fracción de vapor
ingrese a las bombas en la Unidad Booster de Fuel Oil.
Figura 8.
Simulación Tanque Diario TL-104.
40
Por último, la unidad de Bombas Booster permite llegar al crudo a condiciones de 11 bar
presión y una temperatura menor a 150 °C para el funcionamiento adecuado del motor. La
bomba PL-105 eleva la presión del crudo 5.5 bar, para continuar al TL-106, que sirve de tanque
de venteo para eliminar cualquier tipo de fracción de vapor que pueda existir al aumentar la
presión del fluido, la bomba PL-107 que eleva la presión del crudo 6.0 bar, por último el
calentador AL-101 corrige la temperatura para llevar a parámetros de viscosidad necesario
aptos para el ingreso en el motor Hyundai 9H21/32.
Figura 9.
Simulación Unidad de Bombas Booster.
41
4. RESULTADOS.
4.1 Resultados de Caracterización del Crudo Reducido.
La Tabla 15 presenta los resultados de todos los ensayos realizados al crudo reducido, mediante
el uso de las normas ASTM, además los resultados obtenidos mediante la experimentación son
comparados los parámetros que brinda la norma CIMAC 21 para el uso del crudo reducido en
motores Hyundai 9H21/32.
Tabla 15.
Resultados de Caracterización del Crudo Reducido
PROPIEDAD UNIDAD LÍMITE HFO (CIMAC
H700)
MUESTRA PAM LA Crudo Reducido
Viscosidad Cinemática 𝑚𝑚2/𝑠
(cSt) Máx.
700 at 50°C 12.0 – 18.0
468.6 a 50 °C
Densidad a 15 °C 𝑘𝑔/𝑚3 Máx. 991.0
1010.0 (A) 961.4
Punto de Inflamación. °C Min. 60 40
Punto de Vertido (Calidad Winter)
°C Máx. 32 4
Residuo de Carbono % masa Máx. 22
15 (B) 12.5
Asfáltenos % masa Máx. 8 4.81
Cenizas % masa Máx. 0.15
0.03 (B) 2.79
Total, Sedimento, potencial % masa Máx. 0.1 0.1
Agua % volumen Máx. 0.5
0.2 (B) 0.1
Azufre % masa Máx. 4.5
3.50 (B) 0.4987
Índice Cetano - Min. - -
42
PROPIEDAD UNIDAD LÍMITE HFO (CIMAC
H700)
MUESTRA PAM LA Crudo Reducido
Vanadio 𝑚𝑔/𝑘𝑔 Máx. 600
150 (B) 28
Sodio 𝑚𝑔/𝑘𝑔 Máx. 100
30 (B) 5.3
Aluminio + Silicón 𝑚𝑔/𝑘𝑔 Máx. 80
15 (B) 0.6
Partículas Solidas 𝑚𝑔/𝑘𝑔 Máx. 20 1
µm Máx. 5 -
CCAI Máx. 850 a 870 827.588
4.2 Rango de Operación de Temperaturas relacionado con la viscosidad.
De todos los intervalos obtenidos en el cálculo y conociendo que el set point del control
de viscosidad está en el rango de 12 cSt a 16 cSt, se deduce que el intervalo final de
temperatura que tendrá el crudo reducido antes de entrar al motor es desde 102.558 ˚C
hasta 145.477 ˚C. Por otro lado, la
Figura 10, que se presenta a continuación, muestra como varía la viscosidad de las muestras en
relación a la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. y se puede apreciar que la s
ección de color roja representa gráficamente el intervalo de temperatura con el que puede
trabajar el crudo reducido antes de ingresar al motor Hyundai 9H21/32.
Tabla 16.
Rango de Temperaturas para Operación.
Viscosidad (cSt)
Temperatura (°C)
Limite Superior Límite Inferior
12.00 145.477 114.283
14.00 138.780 107.866
16.00 133.436 102.558
43
Figura 10.
Intervalo de temperatura del crudo reducido dentro del diagrama de viscosidad cinemática. (HIMSEN CIMAC H700,
2003, pág. 2)
4.3 Caída de Presión y Velocidades de Fluido en Tuberías.
Este análisis se lleva a cabo en las principales tuberías que conforman las facilidades para el
tratamiento del crudo reducido antes de su ingreso al motor Hyundai 9h21/32, en la siguiente
tabla se especifica el lugar donde fluirá el combustible entre los diferentes procesos que
complementan los sistemas adicionales de la generación eléctrica.
44
Tabla 17.
Destino de las Principales Tuberías.
Línea
DESTINO DEL FLUIDO
Desde Hasta
C – 2” – 117 – IH Tanque Settling TL-103 Unidad Purificadora FO
C – 1 ½” – 139 – IE Unidad Purificadora FO Tanque Diario TL-104
C – 2” – 114 – IH Tanque Diario TL-104 Booster Unit Pump
C – 2 ½” – 116 – IE Booster Unit Pump Entrada a MDU (motor)
En las líneas descritas se calcula la caída de presión para conocer cuál será el impacto en la
presión de entrada a las bombas pertenecientes a la Unidad de Bombas Booster que son las
encargadas de aumentar la presión del combustible antes de su entrada hacia el Motor Hyundai
9H21/32, estas bombas aumentan la presión del crudo reducido al valor de 12 kPa.
Tabla 18.
Caídas de Presión en tuberías.
Línea
Temperatura Viscosidad Velocidad Caída de Presión ΔP
C m2/s m/s Pa kPa atm
C-2”-117-IH 90 39.033 0.181 8008.72 8.01 0.0790
C-1 ½”-140-IE 98 29.542 0.322 44377.99 44.38 0.4379
C-2”-114-IH 100 27.663 0.181 15390.77 15.39 0.1519
C-2 ½”-116-IE 132 11.509 0.116 703.12 0.70 0.0069
De acuerdo a la Tabla 18 se aprecia que ninguna tubería adquiere una caída de presión mayor a
1 atm, por lo que no implica en que las bombas trabajen excesivamente para mantener la
presión de descarga del fluido.
45
Las tuberías del sistema de generación eléctrico están sujetas a una velocidad máxima de fluido
de 1.8 m/s para el crudo o combustible que se utilice, las velocidades del fluido dentro de las
tuberías son:
Tabla 19.
Velocidades de Fluido en Tubería.
Línea
Temperatura Viscosidad Velocidad
C m2/s m/s
C-2”-117-IH 90 39.033 0.181
C-1 ½”-140-IE 98 29.542 0.322
C-2”-114-IH 100 27.663 0.181
C-2 ½”-116-IE 132 11.509 0.116
4.4 Poder Calórico del Crudo reducido.
El resultado del cálculo 3.5 se compara con el poder calórico del crudo que actualmente es
utilizado en la Central de Generación Hyundai Lago Agrio, es decir el crudo de Lago Norte,
cuyo detalle se encuentra en el ANEXO C.
Tabla 20.
Diferencia entre el poder calórico inferior del crudo
Poder Calórico Inferior (MJ/kg)
Diferencia
Crudo Lago Norte Crudo Reducido
40.67 40.23 1.08%
4.5 Variación entre los datos experimentales y los datos obtenidos por la simulación.
46
Se reportan las variaciones (error) entre los valores que se obtienen de la experimentación
mediante los ensayos de viscosidad y los datos que se obtienen dentro de la simulación, los
parámetros más importantes son los valores de punto flash, viscosidad cinemática a 90 °C y
temperatura del crudo reducido a una viscosidad de 14 cSt antes de su ingreso al motor Hyundai
9H21/32.
Tabla 21.
Variación del punto flash teórico y simulado.
Muestra de Crudo
Reducido
Punto Flash Teórico
(°C)
Punto Flash Simulado
(°C) Error (%)
1 131.65 134.70 2.26%
2 131.66 134.50 2.11%
3 131.65 134.40 2.05%
Tabla 22.
Variación de la viscosidad cinemática a 90 °C experimental y simulada.
Muestra de Crudo
Reducido
Viscosidad a 90°C
Experimental (cSt)
Viscosidad a 90°C
Simulada (cSt) Error (%)
1 28.6 24.78 13.36%
2 50.8 49.59 2.38%
3 37.7 37.77 0.19%
Tabla 23.
Variación de la temperatura para 14 cSt experimental y simulada.
Muestra de Crudo
Reducido
Temperatura a 14 cSt,
Experimental (°C)
Temperatura a 14 cSt,
Simulado
(°C)
Error (%)
1 114.78 106.7 7.04%
2 133.01 132.2 0.61%
3 122.18 125.9 2.95%
47
4.6 Parámetros de Crudo Reducido al entrar al Motor.
Estos resultados representan los valores de los parámetros de temperatura, presión y viscosidad
de las tres muestras de crudo reducido previo a su ingreso al motor Hyundai 9H21/32 obtenidas
a través de la Simulación descrita en el punto 3.9.3.
Tabla 24.
Temperatura y Presión del crudo reducido al Ingresar al Motor Hyundai 9H21/32
Muestra de Crudo
Reducido
Viscosidad
(cSt)
Temperatura
(°C)
Presión
(kPa)
1
12 111.9 1250.8
14 106.6 1250.9
16 102.4 1251.0
2
12 139.3 1250.8
14 132.2 1250.9
16 126.5 1251.2
3
12 133.3 1250.9
14 126.1 1250.9
16 120.0 1251.1
Con estos datos se construyen las siguientes figuras para comparar el comportamiento de estos
parámetros entre las muestras analizadas.
48
Figura 11.
Comportamiento de la Temperatura dentro del Rango de Viscosidad Cinemática
Figura 12.
Comportamiento de la presión dentro del rango de viscosidad cinemática.
49
4.7 Propuesta de operación para el uso del crudo reducido en la Central de Generación
Hyundai Lago Agrio.
El crudo reducido se envía desde el tanque de almacenamiento de crudo reducido en la
Refinería de Lago Agrio hacia el tanque de reserva diaria (TL-103) en la Central de Generación
Hyundai Lago Agrio, el crudo reducido ingresa a una temperatura de 90 °C y 1.2 psig.
Desde el tanque de reserva diaria TL-103, el crudo se dirige hacia la Unidad Purificadora de
FO, por medio de la bomba PL-109A a una presión de 4 bar y temperatura de 95 °C, entrando
al calentador de crudo EL-101A donde alcanza 98°C antes de ser dosificado al separador
centrifugo ML-101A el que opera a 12000 rpm y 2 bar de presión y una vez culminado este
proceso el crudo es dirigido al tanque de almacenamiento temporal TL-104.
En el tanque TL-104 el crudo se calienta a 100 °C, después es bombeado por PL-105 donde
entra a 1.5 bar y aumenta su presión hasta 7.2 bar con un caudal de 2.4 m3/h, después entra al
tanque de venteo TL-106 el que opera a 105 °C, mediante la bomba PL107A el crudo eleva
su presión de 6 bar hasta 13 bar, a continuación el crudo se dirige al calentador AL-102 donde
se corrige la temperatura del crudo para alcanzar una viscosidad dentro del rango que se
encuentra programado el controlador de viscosidad (viscosímetro) KL-101, que se encuentra
con un set de 14cSt, finalmente el crudo entra a las unidades MPU a 120 °C y 12.5 bar de
presión.
50
5. DISCUSIÓN
Análisis de los resultados de la caracterización del crudo reducido.
En los resultados reportados en la Tabla 15 se puede apreciar que las muestras analizadas del
crudo reducido cumplen con los requisitos dentro de las especificaciones de la norma CIMAC
N° 21, ya que se encuentran por debajo de los valores máximos reportados en esta norma; en
dicha norma se especifica que se debe enfocar un control riguroso del crudo reducido en los
siguientes parámetros: densidad, viscosidad, azufre y cantidad de cenizas, ya que son los
parámetros que causan un mayor impacto dentro del motor Hyundai 9H21/32, de estos
parámetros, el porcentaje en masa de ceniza que se encuentra dentro del crudo reducido es el
parámetro que está por encima del valor sugerido, la norma recomienda que el porcentaje de
ceniza dentro del crudo reducido sea del 0.15% y mediante los ensayos realizados del crudo
reducido se encontró un valor de 2.79%, este contenido de cenizas disminuye mediante la
Unidad de Purificación del Fuel Oil, específicamente mediante la separadora centrifuga ML-
101 A, esta centrifuga disminuye el porcentaje a un valor menor de 0.03%. Es importante
controlar la cantidad de cenizas que presenta el crudo reducido ya que genera depósitos de
partículas provenientes de las cenizas y promueven la deformación mecánica de las piezas del
motor, además existe la adherencia de estas partículas a diferentes zonas de las cámaras de
combustión del motor reduciendo así su capacidad.
Análisis del valor de CCAI del crudo reducido.
El cálculo 3.4 arroja un valor de: 827.588 de CCAI, este valor es apropiado para el crudo
reducido ya que asegura que tendrá una buena calidad de combustión e ignición, el valor
máximo recomendado por la Norma ISO 8217:2010 es de 850 pues mientras más alto se
encuentre este parámetro causará un retraso prolongado en la ignición del combustible y una
51
combustión incompleta, desembocando en problemas operacionales serios como es el daño del
motor, acumulación de combustible no quemado en la cámara de combustión y en el sistema
de eliminación de gases, la calidad de gases resultantes de la combustión será baja por lo que
requerirá un tratamiento adicional para su emanación al medio ambiente y por lo tanto como
resultado de estos problemas se generará una mayor cantidad de mantenimientos programados
para resolverlos.
Análisis del rango de temperaturas de operación del crudo reducido.
El punto 4.2, proporciona el rango de temperatura con las que se podrá manejar el crudo
reducido, el rango se encuentra desde los 102.56 °C con una viscosidad cinemática de 16 cSt
hasta 145.48 °C con una viscosidad cinemática de 12 cSt, el control de viscosidad siempre
busca ajustar este parámetro a su set point que es de 14 cSt, si el crudo reducido requiere una
mayor temperatura para controlar la viscosidad cinemática debe ser una temperatura menor a
los 150 °C, debido a que el set de alarmas de temperatura de la entrada del combustible al
motor tiene como valor 150 °C, las recomendaciones del fabricante Himsen Hyundai recalcan
que el crudo no debe calentarse a más de 155 °C con el fin de evitar vapores del combustible
en el sistema de entrada del crudo al motor.
Si el crudo reducido llega a necesitar una mayor cantidad de temperatura, lo mejor es realizar
mezclas de crudo reducido con diésel con el fin de reducir la viscosidad cinemática y la
temperatura necesaria para cumplir con el valor de viscosidad necesario para su
funcionamiento dentro del motor.
Análisis de la funcionalidad de los equipos con el crudo reducido.
Los diferentes equipos que conforman las instalaciones de tratamiento del combustible son
capaces de manejar el crudo reducido sin ningún problema, como se detalla en el punto 4.3, las
tuberías y las bombas soportan la caída de presión generada por la viscosidad del crudo
reducido ya que no existe ningún valor mayor a 1 atm, datos que son reportados en la Tabla
18, en los cuales se toma como consideración un aumento de 15 m para los tramos analizados.
Por otro lado, los tanques de reserva diaria (TL-103) y el tanque de almacenamiento temporal
(TL-104) cuentan con calentadores electro sumergibles con capacidades de 10 kW y 15 kW
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respectivamente, en el cálculo 3.6, se observa que la energía necesaria para calentar el crudo
reducido no supera el calor necesario que brindan estos calentadores por lo que el uso del crudo
reducido no requerirá de ningún cambio de calentador.
Por otro lado, al analizar la tabla especificada por GEA Wetsfalia (ver Anexo F), el diámetro a
utilizar será de 95 mm tomando en cuenta el flujo, la viscosidad y la temperatura del crudo
reducido a utilizar. Por lo tanto existirá un aumento de 5 mm a comparación con el anillo que
se encuentra actualmente en uso.
Análisis de la Simulación del Proceso.
Al caracterizar el crudo reducido dentro de la simulación, se puede verificar que el valor de
flash point calculado por el simulador es cercano al flash point teórico descrito en el punto 3.1,
estos dos valores difieren en 2.3%, al igual que las viscosidades cinemáticas al ingreso del
tanque de reserva diaria cuyo mayor valor es de 13.36% de error. La temperatura del crudo
reducido antes de ingresar al motor se encuentra ajustada para una viscosidad cinemática de 14
cSt, al analizar los errores dentro de este parámetro se puede apreciar que el valor de error
mayor es de 7.04% reportado en la Tabla 22; este valor corresponde a la muestra 1, que mediante
la Tabla 9 se observa que el cambio de viscosidad cinemática es mucho más significativo
mientras se varia la temperatura de la muestra.
En la operación general del sistema de tratamiento del crudo reducido existe un cambio en la
temperatura con la que ingresara el crudo reducido al tanque de reserva diaria, debiendo ser de
90 °C, resultando aumento de temperatura de 50 °C respecto al crudo con el que opera el
sistema actualmente, como se describe en el punto 3.9.2, estos cambios de temperatura
corresponden a que no es muy factible que se enfrié el crudo reducido para que ingrese a 40 °C
ya que será un gasto innecesario de energía debido a que en el tanque de reserva diaria se eleva
la temperatura a 70 °C.
La temperatura y presión con la que entrará el crudo reducido al motor Hyundai 9H21/32 es de
importancia para la operación del mismo, actualmente estos valores son de 77 °C y 8 bar,
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respectivamente; y a partir de la simulación con el crudo reducido se encuentra que estos
valores deben ser de 121.6 °C y 12.5 bar.
Mediante la Figura 11, se puede ver que el comportamiento entre las
muestras 2 y 3 son muy cercanas siendo la muestra 1 la que difiere entre
las tres muestras, esto se debe al comportamiento de la viscosidad
cinemática al variar la temperatura como se ve en la Tabla 9.
Datos de Viscosidad cinemática a diferentes temperaturas. Por otro lado la Figura 12 describe el comportamiento
de la presión del crudo reducido al entrar al motor Hyundai 9h21/32, donde al llegar a la
viscosidad cinemática de 14 cSt la presión del fluido es igual y toma el valor de 1250.9 kPa.
Análisis de Factibilidad Tecnológica.
Por lo anteriormente expresado se puede determinar que el uso del crudo reducido en el moto-
generador Hyundai 9h21/32 es factible ya que este crudo reducido cumple con las norma
CIMAC N21 y además no necesita ser mezclado con diésel para reducir su viscosidad, la
temperatura del fluido al momento de ingresar al motor no debe superar los 150 °C, dicho valor
es el que se encuentra colocado por el fabricante para que no exista daño del motor por usar
altas temperaturas. Las instalaciones para el acondicionamiento del crudo previo a su ingreso
al motor no necesitan ser modificadas, salvo el diámetro del anillo de la centrifuga que debe
ser 5 mm menor al actualmente modificado.
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6. CONCLUSIONES.
Es factible utilizar el crudo reducido en la Central de Generación Hyundai LA, ya que
el crudo reducido cumple con los requisitos dispuestos por la norma CIMAC 21. Este
crudo reducido posee un valor de 827.59 en el índice CCAI, esto lo convierte en un
crudo con características de combustión apropiadas para el uso en el motor Hyundai
9H21/32.
La temperatura que requiere alcanzar el crudo reducido para cumplir con el rango de
viscosidad cinemática necesario para su ingreso en el motor Hyundai 9H21/32 se
encuentra por debajo de 150 °C, como se encuentra descrito en la Tabla 16, esto es
importante debido a que si la temperatura supera el valor anteriormente dicho, los
sensores detienen el funcionamiento del motor para evitar daños mecánicos.
La centrifuga debe ser reemplazada para asegurar que el sistema mantenga el caudal
actual de operación; ya que, si se mantiene en funcionamiento la centrifuga actual, el
caudal se reduce a 830 l//h, por lo que afecta al rendimiento del motor.
El poder calorífico inferior del crudo reducido es similar al crudo carga con el que opera
actualmente la Central del Generación Hyundai Lago Agrio, este parámetro solo tiene
una diferencia de 1.08%, entre los poderes caloríficos de los dos crudos descritos en la
Tabla 20, por lo que no tiene un gran impacto en el rendimiento del motor y generaría
la misma energía.
La simulación del sistema de acondicionamiento del crudo reducido previo al ingreso
del crudo reducido al motor demuestra un comportamiento acertado y cercano a los
datos de viscosidad obtenidos experimentalmente del crudo reducido, como se pueden
ver en las Tablas 22 y 23, por lo que los datos obtenidos mediante la simulación son
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apropiados para conocer los parámetros de ingreso del crudo reducido hacia el motor
Hyundai 9H21/32.
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7. RECOMENDACIONES
Se debe realizar un estudio enfocado en el desempeño de la separadora centrifuga dentro del
Sistema de Purificación del Fuel Oil. Ya que debido al cambio de combustible en el sistema
de generación de electricidad genera un cambio en el caudal necesario para que este equipo
opere, debido a esto, cambiará el rendimiento general de los motores Hyundai 9H21/32.
Es importante extender el monitoreo de la viscosidad cinemática del crudo reducido
producido por la Planta de Refinación de Lago Agrio, ya que los datos de viscosidad
cinemática varían debido a las condiciones de presión y temperatura con la que opera la
Torre de Destilación de la Refinería de Lago Agrio B56, con este monitoreo de viscosidad
cinemática se puede dar una mejor proyección del comportamiento de estas propiedades del
crudo reducido.
Se recomienda realizar una cromatografía del crudo reducido con el fin de conocer mediante
una simulación el desempeño del motor con el crudo reducido, ya que los componentes
hipotéticos con los que trabaja el simulador no pueden ser utilizados en reacciones de
combustión dentro del simulador.
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59
ANEXOS
60
ANEXO A
REPORTE DE ENSAYOS REALIZADOS A LAS MUESTRAS DE CRUDO REDUCIDO
61
ANEXO A. CONTINUACIÓN
62
ANEXO A. CONTINUACIÓN
63
ANEXO A. CONTINUACIÓN
64
ANEXO B
INFORME DESTILACIÓN TBP CRUDO LAGO AGRIO BLOQUE 56
65
ANEXO B. CONTINUACIÓN
66
ANEXO C
REPORTE DE ANALISIS DEL CRUDO PARA EL DISEÑO DE LA CENTRAL DE
GENERACION LAGO AGRIO
67
ANEXO C. CONTINUACIÓN
68
ANEXO D
ALARMAS PARA LOS SENSORES DE TEMPERARUTA DEL MOTOR HYUNDAI
9H21/32
69
ANEXO E
PODER CALORIFO INFERIOR, EN MEGAJOULES POR KILOGRAMO, PARA CRUDO
RESIDUAL
70
ANEXO F
DIAMETRO INTERIOR DE LA TAPA DE TAMBOR DE LA SEPARADORA
CENTRIFUGA
