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Introducción
Casi todas las industrias sin importar el tamaño emplean volúmenes importantes de agua, gran parte de esta en forma de vapor. La generación de vapor es uno de los sistemas auxiliares más importantes dentro de la refinería. (1 El vapor es usado en las refinerías generalmente en los stripping, sistema de destilación atmosférica y al vacío, intercambiadores de calor y en la generación de potencia. La Refinería de petróleo Ñico López emplea el vapor además para el calentamiento de tanques de almacenamiento de productos oscuros, para la atomización de fuel oil en hornos y calderas, para turbinas de vapor, para el movimiento del soplador principal y el turbocompresor de gases en la Unidad de Craqueo catalítico fluidizado (FCC). 2,3
El agua que hoy se recibe en la refinería es de origen subterráneo, o sea procede de pozos o fuentes aguas naturales. Por este origen esta agua contiene altos contenido de sales disuelta, por lo que de no ser tratada puede provocar inconvenientes en los equipos ya que estas sales se incrustan en las superficies de los equipos limitando su funcionamiento. 4 En el caso particular de los generadores de vapor acuotubulares estas incrustaciones disminuye la eficiencia y aumenta considerablemente el consumo de combustible.
De acuerdo a la clasificación de carbonatos contenidos en el agua, esta puede clasificarse a niveles de dureza, la tabla 1 indica las cantidades de sales en cada denominación: 5
Los tratamientos tradicionales que encontramos en las industrias son los ablandadores, 6 estos son tambores cargados con una resina de intercambio iónico del ciclo sodio (Na). En operación normal la resina contiene puntos activos cargados con cationes de sodio Na+, que los intercambia por cationes de mayor selectividad como el calcio (Ca2+) y magnesio (Mg2+). 7,8 El proceso inverso se denomina regeneración, para esto se hace pasar por el seno del lecho una solución de cloruro de sodio (NaCl), así intercambia los cationes de calcio y magnesio por sodio. (9
La refinería cuenta con una planta de tratamiento de agua. Dicha planta vino por diseño un ciclo de descarbonatador (ciclo H) y otro de suavizamiento (ciclo Na), en la actualidad por problemas técnicos solo opera el ciclo Na. Estos tratadores están cargados con resina catiónica fuerte Lewatit S. 1667 de origen alemán. (10 Se propone la instalación de nuevas unidades tecnológicas, esto trae consigo consumos adicionales agua. Por lo que se hace necesario realizar una evaluación del sistema para ver si cumple con los requerimientos operacionales.
Materiales y métodos
Para la evaluación del sistema de tratamiento de agua es necesario conocer algunos de los parámetros de operación, características de los equipos y del agua que se va a tratar.
Características del agua a tratar
El agua que se recibe en la empresa es de origen subterráneo, por lo que contiene alto contenido de dureza temporal, o sea, carbonato e hidrógenos carbonatos de calcio y magnesio.
Al agua cruda se le realizó diferentes determinaciones para comprobar su calidad 11 tales como: Dureza Total, (12 alcalinidad (P), alcalinidad (M), oxígeno disuelto, conductividad, cloruros, fosfato y pH. En el caso del agua tratada se le analizó la Dureza Total para comprobar su efectividad.
La TABLA 2 muestra un resumen de los métodos empleados para la determinación de cada parámetro analizados al agua.
Evaluación de los ablandadores
En la evaluación se tienen en cuenta las ecuaciones de diseño, para esto son necesario determinar algunos de los parámetros propuesto por Owens. (13,14,)
Volumen de resina
El volumen de resina necesario se determina empleando los parámetros de diseño del fabricante de la resina.
Donde:
Vagua: Volumen de agua (m3)
D: Dureza (mg/L)
Capacidad de intercambio (mg/L)
Ciclo de trabajo
Es muy importante conocer el ciclo de trabajo de la resina. Este depende del volumen de agua a tratar y el caudal que se emplea. La duración del ciclo se determina mediante la ecuación siguiente:
Donde:
Vagua: Volumen de agua (m3)
t: Tiempo de duración teorico del ablandador (horas)
Q: Flujo volumentrico que pasa por el ablandador (m3/h)
Capacidad operativa de intercambio
La capacidad de la resina está dada por el número de sitios activos dónde tiene lugar el intercambio iónico. El fabricante en la Ficha técnica de la resina no proporciona este valor, pero considerando que la resina esta 100% regenerada, o sea, capacidad total.
Donde:
VR: Volumen de agua (m3)
D1: Dureza a la entrada (meq/L)
D2: Dureza a la salida (meq/L)
Q: Flujo volumentrico que pasa por el ablandador (m3/h)
CR: capacidad Operativa de Intercambio (adimensional)
Dimensionamiento del ablandador
En el dimensionamiento del ablandador se emplean las siguientes variables.
Donde:
L1: Altura de lecho de antracita (m)
L2: Altura para la expansión de la resina (m)
hl: Altura del lecho de resina (m)
Velocidad Lineal
Esta es la velocidad de un fluido que circula a través de una sección transversal en un tiempo determinado.
Donde:
Qreq: Caudal requerido en operación (m3/h)
AC: Área de la sección transversal del ablandador (m2)
Vl: Velocidad lineal (m/h)
El área de la sección transversal del equipo debe garantizar el flujo lineal o volumétrico propuesto.
Donde:
D: Diámetro del ablandador (m)
AC: Área de la sección transversal (m2)
Altura del lecho
La altura que alcanza la resina guarda relación con el área del ablandador, tal como se muestra en la ecuación siguiente:
Donde:
Qi: Caudal de ingreso
AC: Área de la sección transversal del ablandador
Porciento de expansión del ablandador
Al diseñar el ablandador es necesario que la altura de este garantice la altura de la expansión recomendada por el fabricante.
Donde:
hl: Altura del lecho de resina (m)
Altura del lecho expandido
Es preciso conocer la altura del lecho expandido para conocer la altura total de la resina al absorber agua durante el proceso.
Donde:
hl: Altura del lecho de resina (m)
Emáx: Expansión máxima del ablandador (m)
Cámara de expansión (freeboard)
La cámara de expansión es la mínima altura que se deja por encima de la resina para que se pueda expandir perfectamente durante el contralavado.
Donde:
hf: Altura del ablandador (m)
hlex: Altura del lecho hinchado (m)
Altura cilíndrica de la columna
Esta altura es la sumatoria de la cámara de expansión y de la resina en su forma expandida.
Donde:
Freeboard: Altura de la cámara de expansión (m)
hlex: Altura del lecho hinchado (m)
Flujo de salmuera
El flujo de salmuera que se requiere para la regeneración de la resina, está dado por:
Donde:
Qreg: Caudal de regeneración (m3/h)
Vr: Volumen de resina (m3)
Caudal de descompactación
Donde:
Qd: Caudal de descompactación (m3/h)
Vd: Velocidad de descompactación (m3/h)
td: Tiempo de descompactación (m3/h)
Volumen de la solución regenerante
Para el volumen de la solución regenerante es necesario determinar la masa de agua y de NaCl.
Donde:
M (NaCl): Masa de NaCl que se empleara (kg)
VResina: Volumen de resina empleada en el tratador (m3)
Resultados
Resultados de los análisis del agua cruda
Se analizó el agua en cuatro momentos diferentes en el año 2018, para tener en cuenta las características del agua en todas las épocas del año.
En la tabla 3 se puede observar que el pH del abasto de agua a la refinería tiene un comportamiento que oscila entre 7,2 - 7,5. Estos valores se encuentran dentro de los límites máximos (6,5 - 8,5) según la NC 1021:2014.
La conductividad promedio del agua cruda analizada fue de 560 μS/cm. Este valor cumple con lo planteado por algunos autores, 11 donde los valores normales de este parámetro en aguas dulces comprenden el rango de 100 a 200 μS/cm.
El oxígeno disuelto está muy superior a lo reportado en la norma NC 1021:2014, (15 obteniéndose valores de 7,51 como promedio,
El contenido de sulfato en el agua fue de 132,1 mg/L como promedio, este valor está dentro del parámetro máximo establecidos en las normas NC 1021:2014, (400 mg/L). (15
La concentración de cloruro en el abasto fue de 40 mg/L, este valor promedio está por debajo de las concentraciones máxima reportadas 15 para agua potable y de abastecimiento.
Los valores de dureza total clasifican como agua dura, según la tabla 1, o sea, que para ser empleada en procesos industriales deben ser tratadas. (5
La alcalinidad del agua se comportó en valor medio de 313 mg/L, clasificando como alta, ya que algunos autores (16 establecen que baja es inferior a 75 mg/L, media 75 - 150 mg/L, y alta para mayores 150 mg/L.
Caudal de agua requerido
En la elaboración del diseño del sistema de tratamiento se tuvo en cuenta el consumo de agua que se requiere. Los generadores de vapor que están instalados en la refinería son acuotubulares, de origen ruso. Estos tienen una producción nominal de 25 t/h de vapor. El grupo de generadores de vapor que se abastecerán de esta agua tratada consumen aproximadamente en su totalidad 50 m3/h.
Características del ablandador
Los ablandadores están cargados con resina catiónica fuerte debido al tipo de agua que se procesa. La Lewatit S 1667 es una resina intercambiadora de cationes geliforme, fuertemente ácida con una distribución granulométrica uniforme (monodispersa), a base de un copolímero de estireno divinilbenceno. (10 El volumen de resina calculado para el ablandador fue de 5 m3. El dimensionamiento del ablandador está en los valores de diseño de relación 2 m de diámetro por 3 m de altura. Ver figura 1. Esta relación (H - D) es mucho más barato ya que los principales componentes de los costos de la columna son los fondos cóncavos y las placas de boquillas. (17
La altura del lecho está dentro de lo recomendado por el fabricante ya que establece que la altura mínima es de 0,8 m. (10 En la determinar la altura de la cámara de expansión se acostumbra tomar un por ciento de expansión de un 50 a un 75% de la altura del lecho, (18 en este caso se tomó un 60%. Figura 2.
Condiciones de operación del ablandador
Según el tiempo por ciclo calculado para la resina Lewatit S 1667 se demora 22 horas en agotarse, este valor es muy semejante a los valores reportados en el histórico en la planta de tratamiento de agua. Tabla 4.
La capacidad útil de la resina es de 1,4 eq/L, este valor es menor a la capacidad total de la resina donde la ficha técnica de Lewatit S 1667 refleja una capacidad total de 2 eq/L. (10 La capacidad útil típica de las resinas fuertemente ácidas y fuertemente básicas es de 40 a 70 % de su capacidad total. (19 Esta resina muestra una actividad de un 68% de la capacidad total.
El flujo de salmuera se obtuvo por un despeje de la ecuación 12 empleando una tasa de flujo de regeneración de 3 m3 de sol. regenerante por m3 de resina, resultando un flujo de 15 m3/h.
La velocidad de regeneración se determina teniendo en cuanta el caudal de regeneración y el área de la sección transversal, esta fue de 4,7 m/s. El fabricante reporta que la velocidad de regeneración debe ser aproximadamente 5 m/s, 10 por lo que se encuentra en parámetros.
La cantidad de NaCl calculado para la regeneración depende del nivel que refleja el fabricante. Este indica que la solución para regenerar debe estar de 8-10 % en peso. Por lo que para preparar una solución a la concentración de 10% se debe disolver 1001 kg de NaCl en 9 m3 de agua, empleando la tabla 6 de densidad de solución de NaCl. (20
El tiempo de regeneración de la resina es de 90 min. Para conocer si con el nivel de regeneración que propone el fabricante se alcanza una regeneración completa de la resina, se debe comprobar si existe un excedente estequiométrico.
donde:
Cr: Capacidad útil de la resina (eq/L)
Nivel: Nivel de regeneración (g/L)
eqNa: Equivalente de sodio (eq/L)
gNa: Masa de sodio (g)
El % estequiométrico da una medida del exceso que se debe añadir, todo esto es para mantener el proceso en equilibrio. La conversión nunca es del 100% ya que el proceso no es ideal. Por consiguiente, la eficiencia empeora a medida que este valor aumenta, es decir, disminuye la capacidad operativa de la resina. (13
El valor estequiométrico es de 170%, en el caso de la resina catiónica fuerte Lewatit S 1667 la eficiencia en la regeneración es de 200%.10 Teniendo en cuenta el valor estequiométrico calculado se puede deducir que la resina alcanza una regeneración completa de la resina.
Es necesario descompactar la resina antes de regenerarla y al mismo tiempo eliminar cualquier impureza retenida en el lecho. Para esto se emplea un caudal de descompactación de 15 m3 y una duración de 12 - 15 min.
La velocidad lineal fue de 18,07 m/h (7,39 gpm/pie2) este valor es satisfactorio ya que deben encontrarse en el rango de 9,79 a 24,44 m/h (4 a 10 gpm/pie2), se comporta normalmente el valor de 19,56 m/h (8 gpm/pie2). (13 En la ficha técnica de la resina Lewatit S 1667 establece como valor máximo para este parámetro 60 m/h, cumpliendo así con lo establecido por este documento técnico. (10 tabla 5.
Para determinar la capacidad del tambor de la solución regenerante hay que tener en cuenta el volumen de la solución. La tabla 6 muestra la densidad de soluciones de NaCl en función de la concentración y la temperatura. (20
Para esto se realizó una interpolación para obtener la densidad a 10% en peso de NaCl.
donde:
kg NaCl: Es la masa de NaCl para la preparación de la solución regenerante (kg)
ρ (NaCl)25ºC: Es la densidad de la solución NaCl a 10% en peso (kg/m3)
El volumen de solución regenerante es de 8,45 m3. El tambor real que almacena la solución tiene un sobre diseño de un 20% mayor al volumen de la solución.
Conclusiones
El agua que se recibe hoy en la refinería de petróleo Ñico López es un agua muy carbonatada por lo que tiene que ser tratada para emplearla en el proceso. En la evaluación del sistema de tratamiento de agua de la refinería se obtuvo que Planta de tratamiento puede brindar el volumen de agua para la nueva unidad que se propone instalar. La resina presenta una capacidad útil de 1,4 eq/L, aunque ha perdido ligeramente su actividad en un 32 % puedo satisfacer los parámetros operacionales actuales.
