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Destilación Atmosférica. (ASTM D-86) Graterol V. Yohanny CI: 16.652.753; Rivas Marbella CI: 15.174.646 Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Universidad de los Andes. MéridaVenezuela. Laboratorio de Petróleo. Fecha de Practica: 23/05/2011- Fecha de Entrega: 30/05/2011

Resumen La destilación atmosférica, en la ingeniería del petróleo, es la destilación que se realiza a una presión cercana a la atmosférica. Se utiliza para extraer los hidrocarburos presentes de forma natural en el crudo, sin afectar a la estructura molecular de los componentes. En las unidades de destilación atmosférica, el objetivo es obtener combustibles terminados y cortes de hidrocarburos que luego se procesarán en otras unidades. En esta práctica se realizaron las técnicas de caracterización ASTM D-86 y ASTM D-1218, para un crudo (Orocual). Se utilizaron 82,53 g de muestra, destilando hasta una temperatura máxima de 210 ºC. Para cada fracción obtenida (cada 5 ml) se midió el índice de refracción, para así realizar la gráfica de índice de refracción vs temperatura media de los cortes. De igual manera se construye la curva ASTM D86, y se transforma dicha curva a otra llamada TBP que proporciona una aproximación real en cuanto a las temperaturas de destilación. El factor de caracterización obtenido para este crudo fue menor a 11, lo que significa que el crudo Orocual es de naturaleza aromático.

Introducción. La destilación atmosférica en la ingeniería del petróleo, es la destilación que se realiza a una presión cercana a la atmosférica. Se utiliza para extraer los hidrocarburos presentes de forma natural en el crudo, sin afectar a la estructura molecular de los componentes.[1] En las unidades de destilación atmosférica, el objetivo es obtener combustibles terminados y cortes de hidrocarburos que luego se procesarán en otras unidades.[1] Se basa en la transferencia de masa entre las fases líquido-gas de una mezcla de hidrocarburos. Permite la

separación de componentes en función de su punto de ebullición. Para que se produzca el fraccionamiento o separación, es necesario que exista un equilibrio entre las fases líquido y vapor, que es función de la temperatura y presión del sistema. Así los componentes de menor peso molecular se concentran en la fase vapor y los de peso mayor, en el líquido. Las columnas se diseñan para que el equilibrio líquido-vapor se obtenga de forma controlada y durante el tiempo necesario para obtener los productos deseados. El proceso consiste en vaporizar el crudo y luego condensar los

hidrocarburos en cortes definidos, modificando la temperatura a lo largo de la columna fraccionadora. La fase líquida se obtiene mediante reflujos, que son reciclos de hidrocarburos que retornan a la columna después de enfriarse intercambiando calor con fluidos refrigerantes o con carga más fría. Su función es eliminar controladamente la energía cedida en el horno de precalentamiento.

su comercialización, por otros procesos industriales para mejorar su calidad o para convertirlos en nuevos productos de mayor valor añadido.[1]

La columna de destilación está rellena de bandejas de platos, que es donde se produce el equilibrio entre los vapores ascendentes y los líquidos que descienden. En la zona de agotamiento o de despojamiento "stripping", situada en la parte inferior de la columna, se le inyecta vapor que agua, que sirve para disminuir la presión parcial de los hidrocarburos, favoreciendo la vaporización de los compuestos más volátiles y ayudarles a que asciendan a la zona de la columna que tenga a presión y temperatura adecuada para que se produzca el equilibrio líquido-vapor y se produzca la extracción del producto definido. Hoy en día, debido a las medidas medioambientales, de especificación de los productos y de la obtención del máximo rendimiento, todas las corrientes que se extraen de la columna de topping, pasan, previo a

Fig.1 Destilación Atmosférica

La destilación atmosférica es el primer proceso que aparece en una refinería, existen dos tipos para la caracterización de fracciones de petróleo la destilación ASTM (norma ASTM D-86) y la destilación al vacío (norma ASTM D1160). La destilación se realiza en dos etapas, la primera el crudo es destilado a 350 C y presión de 1 atm, luego el residuo se vuelve a destilar a la misma temperatura pero a una presión menor de 40 mmHg, la norma más empleada para la destilación de un crudo es la norma ASTM D1160. El intervalo de ebullición del crudo proporciona una indicación de los distintos

productos presentes. El tipo más útil de

luz en éste medio es muy cercana a la del

destilación se conoce como una destilación

vacío.

de punto de ebullición verdadero (PEV, o en siglas inglesas TBP) y generalmente se

Los hidrocarburos acusan valores de 1,39 a

refiere a una destilación realizada en un

1,49.

equipo

que

logra

un

grado

de

fraccionamiento razonable. Este intervalo

El índice de refracción se mide con un

de destilación del crudo tiene también que

aparato llamado refractómetro como se

ser correlacionado con las destilaciones

muestra en la figura 2, en el que se compara

ASTM ya que las especificaciones del

el ángulo de incidencia con el ángulo de

producto se basan generalmente en las

refracción de la luz de una longitud de onda

destilaciones ASTM simples.

específica al colocar una gota de corte en el prisma.

Luego de finalizar la destilación ASTM, basta seguir la temperatura, que pasa por un máximo,

y

después

decrece

como

consecuencia de la alteración térmica de las últimas trazas de líquido que quedan en el matraz. Índice de Refracción

Es el número adimensional que expresa la relación existente entre la velocidad de la luz en el aire y la velocidad de la luz en el medio más denso (la gema). La medida del índice de refracción (o de los índices de refracción) de una gema es fundamental para su determinación. Se lleva a cabo por medio de refractómetros, que son aparatos ópticos de precisión, pero de sencillo principio operativo y manejo, basados en el concepto de ángulo límite, que es el mayor ángulo de incidencia de un rayo luminoso en una gema, que permite la refracción del rayo. Si el ángulo de incidencia es mayor que el límite, se produce una reflexión.

Fig. 2: Refractómetro. Factor de caracterización Kuop El factor Kuop, es un valor que permite identificar o caracterizar el tipo de crudo en cuanto a su composición química, (base parafínica, mixta, nafténica, aromática). Este índice tiene unos valores para:  parafínicos normales/ isoparafínico 

nafténicos puros



aromáticos puros

Ec.1 El índice de refracción del aire es de

La temperatura volumétrica media, es la

1,00029 pero para efectos prácticos se

temperatura

considera como 1, ya que la velocidad de la

componente hipotético con características

de

ebullición

de

un

equivalente a la mezcla de hidrocarburos analizada.[2]

K= 13 BASE PARAFINICA K= 12 BASE MIXTA K= 11 BASE NAFTENICA K = 10 BASE AROMATICA

Para entender la aplicación de este factor de caracterización a las mezclas complejas de hidrocarburos como son las fracciones de petróleo, se introduce el concepto de temperatura media ponderada de ebullición, que se calcula a partir de las curvas de destilación ASTM o TBP. El objetivo principal de la práctica es conocer las características de los crudos a través de métodos conocidos como las normas ASTM D-86 (destilación atmosférica), índice de refracción (Norma ASTM D1218) y gravedad específica para así caracterizar una fracción de crudo en base a su contenido nafténico, parafínico, y aromático.

Equipos y Muestras:  Muestra de crudo (Orocual).  Destilador atmosférico  6 Cilindros Graduados  Termómetro  Balón de Destilación  Refractómetro

Procedimiento experimental. Destilación ASTM D-86:  Pesar aproximadamente 100 g de muestra directamente en un balón de destilación, el cual debe contener perlas de ebullición.  Colocar el balón de destilación en el equipo de destilación ASTM D-86 y encenderlo.  Registrar la temperatura a la que empieza a destilar la muestra (primera gota de destilado).  Anotar la temperatura cada 5ml de destilado recogido.  El punto final de temperatura está entre 280 y 300 ºC.  Una vez enfriado el balón de destilación, pesarlo para determinar la cantidad de residuo. Índice de Refracción ASTM D1218:  Tomar la muestra a temperatura ambiente (20 a 30ºC).  Colocar dos o tres gotas de la muestra en el porta muestra, pero antes verificar que el lente esté completamente limpio. Caso contrario, limpiarlo, preferiblemente con etanol.  Encender la lámpara del equipo y calibrar hasta notar una línea legra que coincida en el centro de la mira que tiene el aparato.  Registrar el valor que arroja el equipo.  Limpiar nuevamente para dejar el equipo listo para la próxima muestra.

Destilación Atmosférica (ASTM D-86) . Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Laboratorio de Petróleo y Catálisis. Márquez Brian, López Jesus.

RESUMEN La destilación atmosférica se utiliza para extraer los hidrocarburos presentes de forma natural en el crudo, sin afectar a la estructura molecular de los componentes. En las unidades de destilación atmosférica, el objetivo es obtener combustibles terminados y cortes de hidrocarburos que luego se procesarán en otras unidades. En esta práctica se realizaron las técnicas de caracterización ASTM D-86 y ASTM D-1218, para una muestra de crudo Lago cinco. Se utilizaron 87,53 g de muestra, y se destilaron 8 cortes de 5 ml cada uno hasta una temperatura máxima de 260 ºC. Con los datos registrados se realizó la curva ASTM D86, y se transformó a otra llamada TBP que proporciona una aproximación real en cuanto a las temperaturas de destilación. El factor de caracterización obtenido para este crudo fue 10,65 lo que significa que es de naturaleza nafténica. Se obtuvo un rendimiento para la destilación de 58,64 %. Es importante mencionar que se midió el índice de refracción (IR) para cada fracción de destilado, y se comprobó lo reportado en la literatura ya que el mismo aumenta con cada corte, desde los más livianos a los más pesados

RESULTADOS EXPERIMENTALES. Tabla Nº1. Peso de balón y Muestra. Material Balón Peso balón + muestra Peso final (balón +muestra)

Peso (g) 142,67 230,2 194

Tabla Nº2. Valores obtenidos experimentalmente para la construcción de la curva de destilación atmosférica . Vol. Destilado(m Temperatur Cortes L) a, (°C)

1

2

3

4

5

1era gota 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

90 100 109 116 122 125 130 133 136 138 140 146 151 156 160 163 163 166 168 184 190 200 202 210 218 224

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

6

7

8

226 230 234 236 238 238 240 250 256 257 258 259 260 260 260

Tabla 3. Densidad de las fracciones destiladas. Corte

Peso del cilindro(g)

1 2 3 4 5 6 7 8

30,18 29,55 53,21 57,7 28,53 28,25 53,6 22,8

Peso del cilindro + destilado(g ) 32,68 32,37 56,86 61,2 32,76 32,52 58 27,23

Masa destilado(g )

Volumen destilado(mL )

3,1 3,3 3,65 3,8 4,23 4,27 4,4 4,43

4,5 4,5 5 5 5 5 5 5

Densidad fracción destilada(g/mL ) 0,69 0,733 0,73 0,76 0,846 0,854 0,88 0,886

Tabla Nº4. Valores calculados para la construcción de la Curva de TBP.

%Destilad o

TBP (°C)

0

49,043914 7 96,313147 8 142,61164 4 193,27741 8 243,92183 2 272,93623

10 30 50 70 90

100

2 273,48619 3

Tabla N°5 .Índices de refracción de las fracciones destiladas. Corte 1 2 3 4 5 6 7 8

Temperatura Promedio ( C) 114,4 135,4 155,2 174,2 210,8 232,8 478,76 498,92

IR 1,42 1,427 1,429 1,433 1,45 1,46 1,465 1,472

Grafica Nº 1: Curvas de destilación atmosférica (ASTM y TBP) para una muestra de crudo Lago cinco.

ANALISIS DE RESULTADOS. La Norma ASTM D86, fue empleada para analizar la destilación del crudo Lago cinco, arrojando como resultado la temperatura del proceso con respecto al porcentaje

de volumen de cada una de las ocho fracciones recolectadas durante el ensayo logrando así obtener la gráfica Nº1 (curva azul). En dicha grafica se observa, que a medida que avanza la destilación la temperatura del proceso va aumentando, lo cual se debe a que las fracciones más pesadas del crudo están compuestas por un mayor contenido de carbono, por lo tanto aumenta la temperatura de ebullición de la mezcla a destilar. Es importante destacar que la destilación ASTM D86 es una aproximación de la destilación real que sufre el crudo en la refinería. Por ende, el verdadero proceso de separación puede conocerse mediante una transformación de la curva ASTM D86, a una curva que contenga las temperaturas que realmente está ocurriendo la destilación, la cual es llamada curva TBP (punto de ebullición verdadero). Esta se construye siguiendo las ecuaciones descritas en la muestra de cálculo. En la curva roja de la gráfica Nº1 se describe el comportamiento real del proceso, como si se estuviera realizando en una columna fraccionadora de múltiples etapas, siendo esto lo que realmente ocurre a nivel industrial, además ofreciendo la información sobre las fracciones obtenidas del crudo. De la tabla Nº 3 se observa que la densidad de las fracciones destiladas aumenta con sucesivamente con cada corte, de allí que el rango de ebullición para cada corte será mayor que para el corte anterior. El valor del factor de caracterización (K UOP) obtenido fue 10,65, por ende la fracción destilada en el proceso se deduce que es de naturaleza naftenica. Con los datos obtenidos no se puede caracterizar cada corte destilado, ya que dicho valor fue obtenido con el empleo de la temperatura de ebullición media del crudo, obteniendo así de manera general su factor (KUOP). En cuanto al índice de refracción (IR) se puede apreciar de la tabla Nº 5 que a medida que se iba destilando los diferentes cortes el IR también aumentaba, lo que implica que cada corte obtenido poseía una mayor densidad, peso molecular (mayor número de átomo de carbono) que el anterior. Por lo tanto se logra comprobar que a medida que aumenta el peso molecular de los compuesto, obligatoriamente tiene que disminuir la velocidad con que la luz atraviesa el medio, indicando esto que es más denso, causando así que el cociente Velocidad de la luz en el vacío/ Velocidad de la luz en el medio sea mayor. Uno de los objetivos de realizar esta experiencia en el laboratorio es para conocer la rentabilidad de un proceso a gran escala, al utilizar un crudo con fracciones pesadas. Por lo tanto se calcula su rendimiento, obteniéndose un 58,64 %, lo que implica que es un rendimiento satisfactorio en el proceso.

CONCLUSIONES La destilación atmosférica proporciona una estimación de la destilación real que sufre el crudo en una refinería. El índice de refracción depende directamente del peso molecular de cada corte, por lo tanto aumenta con cada corte, desde los más livianos a los más pesados. La curva ASTM D86, facilita la determinación del rango de ebullición de una muestra y por lo tanto así su volatilidad. Se obtuvo un factor de caracterización KUOP de 10,65 para una muestra de crudo lago cinco, indicando que dicho crudo es de naturaleza nafténica.

BIBLIOGRAFIA [1] Delgado, José. “Guía de caracterización de crudos. Productos petroleros”. Petróleo II. Facultad de Ingeniería, Escuela de Química. Mérida, Venezuela.

[2] Standard Test Method for Distillation of Petroleum Products at Atmosferic Pressure, Astm International, Designation D-86- 04b. E.U. [3] J.P. Wauquier. El Refino del Petróleo. ISE editoriales, México 2005

ANEXOS

Muestra de Cálculo Destilación Atmosférica, norma ASTM D86 .Tabla N°6. Datos para la destilación ASTM D-86

Cortes

1

2

3

4

5

Vol. %Volumen Destilado(mL Temperatura de Temperatura, ) , (°C) Destilado (°F)

1era gota 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

90 100 109 116 122 125 130 133 136 138 140 146 151 156 160 163 163 166 168 184 190 200 202 210 218 224 226 230

0 2,500 5,000 7,500 10,000 12,500 15,000 17,500 20,000 22,500 25,000 27,500 30,000 32,500 35,000 37,500 40,000 42,500 45,000 47,500 50,000 52,500 55,000 57,500 60,000 62,500 65,000 67,500

194 212 228,2 240,8 251,6 257 266 271,4 276,8 280,4 284 294,8 303,8 312,8 320 325,4 325,4 330,8 334,4 363,2 374 392 395,6 410 424,4 435,2 438,8 446

6

7

8

28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

234 70,000 236 72,500 238 75,000 238 77,500 240 80,000 250 82,500 256 85,000 257 87,500 258 90,000 259 92,500 260 95,000 260 97,500 260 100,000

453,2 456,8 460,4 460,4 464 482 492,8 494,6 496,4 498,2 500 500 500

Cálculo de la pendiente, S S

T9 0  T1 0 90  10

Ec 2

Donde T90 y T10 son las temperaturas alcanzadas al 90 y al 10% de destilado, respectivamente.

S=

496,4 - 251,6 = 3,06 90  10

Cálculo de la TBM T + T + T50 + T30 + T10 VABP = 90 70 5 Ec. 3 VABP =

496,4  453,2  374  303,8  251,6 = 375,8º F 5

Para el cálculo de la temperatura de ebullición media (TBM) del crudo se usaron las siguientes ecuaciones provenientes de correlaciones:

Ec.4 Ec.5 Δ=19,73

TBM(ºF)=375,8 º F -19,73 º F TBM( º F ) = 356,07 º F Transformación de la curva ASTM D86 a TBP D86 Se realiza por el siguiente procedimiento: - Se calcula la TBP (50), que sería la TBP al 50% de destilado. - Se calculan los diversos Yi, para cada rango de porcentaje en destilado. Yi = A* xi^B

Ec. 6

Donde: xi: es la diferencia de las temperaturas de un rango determinado de la ASTM D86, en °F A y B: son constantes

Rango, en % 100-90

Xi 3,6

90-70

43,2

70-50

79,2

50-30

70,2

30----10

52,2

10----0

57,6

Yi 0,9899296 3 52,225919 8 91,159944 1 91,198394 8 83,337292 4 85,084619 5

Tabla N° 7: Factores Xi y Yi para el cálculo de las TBP Las temperaturas TBP en °F para cada porcentaje de destilado, se calculan mediante las siguientes ecuaciones:

Ec.7 TBP(50 ºF) =0,8718 *( 3741,0258 )= 379,9 ºF

Tabla N° 8. TBP para cada porcentaje de destilado, de la destilación ASTM D-86.

Cálculo del Factor de Caracterizacion (Kuop) Teniendo en cuenta que el crudo orocual tiene una gravedad específica de 1,215 y con la temperatura de ebullición media encontrada, se procede a determinar el factor kuop mediante el uso de la ecuación 1 se tiene: Kuop 

3

Tebm ge

Kuop 

3

Ec.7

816,07 R 0,8772 = 10,65

Cálculo del rendimiento de la destilación

Re n dim iento,% 

Peso.residuo * 100 Peso.inicial

Ec. 8

Re n dim iento,% 

51,33 * 100  58,64% 87,53

Marco Teórico La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento, por ejemplo una babosa es viscosa. [1] Es una de las principales características a estudiar, donde intervengan el flujo de fluido (cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir), ya que de este parámetro dependen muchas otras condiciones de procesos en diferentes tipos de plantas industriales. La unidad en el sistema cgs para la viscosidad dinámica es el poise (p), cuyo nombre homenajea a Jean Louis Marie Poiseuille. Se suele usar más su submúltiplo el centipoise (cp). El centipoise es más usado debido a que el agua tiene una viscosidad de 1,0020 cp a 20 °C.

El poise o centipoise (0,01 poise) se define como la fuerza requerida en dinas para mover un plano de un centímetro cuadrado de área, sobre otro de igual área y separado un centímetro de distancia entre sí y con el espacio relleno del líquido investigado, para obtener un desplazamiento de un centímetro en un segundo. [2] La viscosidad de los crudos en el yacimiento puede tener 0,2 hasta más de 1.000 centipoise. La viscosidad es una de las características más importantes de los hidrocarburos en los aspectos operacionales de producción, transporte, refinación y petroquímica. La viscosidad, se obtiene por varios métodos y se le designa por varios valores de medición. Es muy importante el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de los crudos, en el yacimiento o en la superficie, especialmente concerniente a crudos pesados y extrapesados. [2] Efecto de la temperatura sobre la viscosidad: el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un líquido es notablemente diferente del efecto sobre un gas; en el caso de los gases la viscosidad aumenta con la temperatura, mientras que en caso de los líquidos, esta disminuye invariablemente de manera marcada al elevarse la temperatura. Al aumentar la temperatura del crudo se disminuye su viscosidad debido al incremento de la velocidad de las moléculas y, por ende, tanto la disminucion de su fuerza de cohesión como también la disminución de la resistencia molecular enterna al desplazamiento.[2] Efecto de la presion sobre la viscosidad: el efecto de la presión mecánica aumenta la viscosidad. Si el incremento de presión se efectúa por medios mecánicos, sin adición de gas, el aumento de presión resulta en un aumento de la viscosidad. Este comportamiento obedece a que está disminuyendo la distancia entre moléculas y, en consecuencia, se está aumentando la resistencia de las moléculas a desplazarse. [2] En la práctica experimental a realizarse, se procederá a la Determinación de la viscosidad dinámica de diferentes crudo (Pilón, Rosa Mediano) a variadas temperaturas utilizando el viscosímetro ERV – 8. y = -6E-06x4 + 0,0012x3 - 0,0942x2 + 4,0617x + 71,6 R² = 0,999