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DISEÑO DE UN SISTEMA DE RECUPERACION DE CONDENSADO DE BAJA
PRESION EN LA UNIDAD U-110 HIDROCRACKING EN ECOPETROL S.A
CARTAGENA (BOLIVAR)
FABIAN GUERRERO SALCEDO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
CARTAGENA DE INDIAS
ABRIL 2 DE 2018
2
DISEÑO DE UN SISTEMA DE RECUPERACION DE CONDENSADO DE BAJA
PRESION EN LA UNIDAD U-110 HIDROCRACKING EN ECOPETROL S.A
CARTAGENA (BOLIVAR)
FABIAN GUERRERO SALCEDO
Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al grado de
Ingeniero Químico
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
CARTAGENA DE INDIAS
ABRIL 2 DE 2018
3
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 9
1. PROBLEMA DE INVESTIGACION .................................................................. 10
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................ 10
1.2. FORMULACION DEL PROBLEMA ................................................................ 11
1.3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 11
1.4. OBJETIVOS .................................................................................................. 12
1.4.1. Objetivo General ........................................................................................ 12
1.4.2. Objetivos Específicos ................................................................................ 13
2. MARCO REFERENCIAL.................................................................................. 14
2.1. ANTECEDENTES .......................................................................................... 14
2.2. MARCO TEORICO ........................................................................................ 18
2.1.1. FUNDAMENTOS DEL VAPOR .................................................................. 18
2.1.2. RECUPERACION DE CONDENSADOS ................................................... 20
2.1.3. SISTEMAS DE RECUPERACIÓN DE CONDENSADO VENTEADOS VS.
PRESURIZADOS ................................................................................................. 24
2.1.4. CALDERAS ............................................................................................... 25
2.1.5. HYDROCRACKING ................................................................................... 28
2.3. MARCO LEGAL ............................................................................................. 29
2.4. MARCO CONCEPTUAL ................................................................................ 30
3. DISEÑO METODOLOGICO ............................................................................. 31
3.1. TIPO DE INVESTIGACION ........................................................................... 31
3.2. ENFOQUE ADOPTADO ................................................................................ 31
3.3. DISEÑO ADOPTADO .................................................................................... 31
3.4. TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN .............................. 32
4
3.4.1. FUENTES DE INFORMACION PRIMARIA ................................................ 32
3.4.2. FUENTES DE INFORMACION SECUNDARIA.......................................... 32
3.5. HIPOTESIS DEL TRABAJO .......................................................................... 32
3.6. VARIABLES ................................................................................................... 32
3.7. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES .................................................... 33
3.8. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN .................................................. 33
3.9. PLAN DE TRABAJO ...................................................................................... 34
4. RESULTADOS ................................................................................................ 38
5. CONCLUSIONES ............................................................................................ 63
6. RECOMENDACIONES .................................................................................... 65
7. REFERENCIAS ............................................................................................... 66
ANEXOS .............................................................................................................. 71
Anexo A: Manual bomba seleccionada ................................................................ 71
Anexo B: Costo de Tuberia .................................................................................. 74
Anexo C: Valvula de compuerta ........................................................................... 75
5
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1. Elementos que conforman un sistema de vapor .................................... 20
Figura 2. Relación condesado, vapor ................................................................... 21
Figura 3. Trampa de vapor termostática. .............................................................. 23
Figura 4. Trampa de vapor mecánica. .................................................................. 23
Figura 5. Trampa de vapor termodinámica. .......................................................... 24
Figura 6. Unidad U-110 HYDROCRACKING de ECOPETROL S.A Cartagena. ... 29
Figura 7. Diagrama para la delimitación de área de la Unidad U-110
HYDROCRACKING de ECOPETROL S.A Cartagena. ........................................ 39
Figura 9.Curva de operación de la bomba ........................................................... 43
6
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Normas que asociadas al marco legal de la investigación ...................... 30
Tabla 2. Operacionalización de variables ............................................................. 33
Tabla 3. Condiciones operacionales .................................................................... 38
Tabla 4. Resultado análisis químico ..................................................................... 40
Tabla 5. Tabla para la selección de materiales. ................................................... 41
Tabla 6. especificaciones de la bomba. ............................................................... 44
Tabla 7. Tabla tensión máxima permisible. .......................................................... 48
Tabla 8. Cálculos diseño de tanque de almacenamiento. .................................... 51
Tabla 9. Consideraciones para el diseño de recipientes a presión según Código
A.S.M.E. ............................................................................................................... 52
Tabla 10. Tarifas de servicios industriales ............................................................ 57
Tabla 11. Balance de costos anual. ..................................................................... 61
Tabla 12. Representación de ahorro. ................................................................... 61
7
RESUMEN
En el siguiente proyecto se realizó el diseño de un sistema de recuperación de
condensados de la Unidad U-110 HYDROCRACKING de ECOPETROL S.A
Cartagena. Para lo cual se estudió previamente al área donde este se pudiera
implementar, teniendo en cuenta la forma como se desaguaba el condensado y las
condiciones operacionales del proceso junto con el tipo de sistema a implementar.
Posteriormente se realizó la selección y diseño de equipos que integrarían el diseño,
principalmente el tanque de almacenamiento cuyas dimensiones se establecieron
considerando los manuales de recipientes a presión y el código A.S.M.E. a su vez
se seleccionó el diámetro de tubería, largo y material de tubería y la bomba
encargada de hacer llegar el agua a los intercambiadores E 101 y E102 de la unidad.
Finalmente se seleccionó un sistema de tipo presurizado para optimizar el consumo
energético y al realizar una evaluación de la viabilidad económica del proyecto se
encontró que la implementación del sistema de recuperación de condesados en la
unidad representará un ahorro de 1% para la empresa en la sección de la unidad
especificada, asociados principalmente al consumo de agua de caldera y
tratamiento de la misma. Cuya inversión sería recuperable en un tiempo aproximado
de 21 días.
8
ABSTRACT
In the following project, the design of a condensate recovery system of Unit U-110
HYDROCRACKING of ECOPETROL S.A Cartagena was carried out. For which it
was studied previously to the area where this could be implemented, taking into
account the way in which the condensate was drained and the operational conditions
of the process together with the type of system to be implemented.
Subsequently the selection and design of equipment that would integrate the design,
mainly the storage tank whose dimensions were established considering the
pressure vessel manuals and the code A.S.M.E. At the same time, the diameter of
the pipe, length and pipe material and the pump responsible for getting the water to
the exchangers E 101 and E102 of the unit were selected.
Finally, a system of pressurized type was selected to optimize the energy
consumption and when carrying out an evaluation of the economic viability of the
project it was found that the implementation of the system of recovery of condensed
in the unit will represent a saving of 1% for the company in the section of the specified
unit, mainly associated with the consumption of boiler water and its treatment.
Whose investment would be recoverable in an approximate time of 21 days.
9
INTRODUCCIÓN
El movimiento mundial para el ahorro de energía es uno de los pilares en las
industrias modernas. El análisis de la tendencia del consumo energético de las dos
últimas décadas indica un incremento del orden de 45% para el período 2006-20301.
Este tipo de cifras estimulan la implementación de estrategias que se basen en una
producción más limpia integrada a los procesos que conduzcan al ahorro de
materias primas, reducción de impactos negativos en el medio ambiente, seguridad
y salud entre otros aspectos asociados a la prestación de servicios a la sociedad.
Este tipo de medidas incrementa la eficiencia productiva de las empresas a fin de
minimizar los daños ambientales y maximizar rendimientos económicos2.
El diseño de sistemas de recuperación de condensado constituye una parte esencial
en el aprovechamiento de energías residuales en la mayoría de procesos
industriales donde se usa el vapor como medio de transporte. Un sistema eficaz de
recuperación de condensados garantiza la reducción de costos operacionales ya
que su recuperación ofrece ventajas asociadas al suministro de agua, tratamientos
químicos, combustible y vertidos.
En el presente proyecto, se ofrece una alternativa que permita optimizar el sistema
de vapor de la unidad U-110 Hydrocracking de la empresa ECOPETROL S.A
Cartagena, realizando un diseño de recuperación de condensado de tipo
presurizado basado en las condiciones operacionales del proceso a fin de contribuir
en una disminución del impacto ambiental y generar una estrategia rentable
económicamente para el aprovechamiento energético de la empresa.
1 RAMOS, José. TÉCNICAS DE INTEGRACIÓN ENERGÉTICA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE PLANTAS DE COGENERACIÓN DE ALTA EFICIENCIA. Perú: Universidad de Zaragoza. Grupo de Ingeniería Térmica y Sistemas Energéticos. 2010, p 1. 2 CENTRO DE PROMOCION DE TECNOLOGIAS SOSTENIBLES. Guía Técnica General de Producción Más Limpia. Bolivia: CÁMARA NACIONAL DE INDUSTRIAS BOLIVIA. 2005, p 6.
10
1. PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El vapor de agua es un servicio muy común en la industria, que se utiliza para
proporcionar energía térmica a los procesos de transformación de materiales a
productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribución
adecuada y el control de su consumo tendrán un gran impacto en la eficiencia total
de la planta3.
A pesar de ser la Refinería de Ecopetrol de Cartagena uno de los proyectos más
modernos de Latinoamérica obvió la implementación de sistemas de integración
energética, en este caso se hace referencia a una abundante perdida de
condensado de vapor de agua en una de las líneas de proceso, con tendencia a
incrementar el volumen desechado. Ya que a medida que la unidad aumente la
carga de operación necesitara aumentar el consumo de vapor para su proceso y
por ende un aumento en la cantidad de condensado.
La unidad Hydrocracking cuenta con 43 estaciones de calentamiento con 8 salidas
independientes con diámetros de ½” cada una, para lo cual, se tiene un consumo
promedio de 4Kg/h de vapor por salida. Al día, sería un total de consumo de 33,024
Kg de vapor, con un costo estimado de US $10 por cada 1000 Kg, para un valor
total en la unidad de US $333,024 al día y US$12,053,760 al año aproximadamente.
El principal residuo de este sistema es el condensado, el cual contiene
aproximadamente el 25% de la energía útil del vapor al inicio, porcentaje que es
desechado en su actualmente a una taza de 450 gal/día impidiendo su
aprovechamiento.
Estas cifras, despiertan gran interés en reducir los costos de producción asociados
principalmente, tratamientos químicos para el agua de alimentación de calderas,
demanda de agua potable, combustible utilizado para la generación de energía,
3 BUSQUET, José. PRÁCTICA DEL VAPOR Y SU DISTRIBUCIÓN. 1 ed. España: 2015, 5 p. ISBN: 978-84-944398-0-3.
11
impacto ambiental al verter condensado a altas temperaturas y sobre todo la
seguridad del personal que labora empresa.
En Colombia, debido a los costos de los combustibles es indispensable realizar
diseños altamente eficientes e integrados energéticamente. Por lo cual, en este
proyecto, se propone diseñar un sistema para la recuperación de condensado con
la finalidad de contribuir con la disminución de costos operacionales, reducir impacto
ambiental y lograr el uso adecuado de los recursos que permitan un mayor
aprovechamiento energético.
1.2. FORMULACION DEL PROBLEMA
¿Cómo evaluar el diseño de un sistema de recuperación de condensado vapor de
agua óptimo para el aprovechamiento de energía en la Refinería de Ecopetrol de
Cartagena?
1.3. JUSTIFICACIÓN
La tercera parte de la energía utilizada a nivel nacional es consumida por la
industria, y de esta, cerca del 70% proviene de combustibles fósiles,
Adicionalmente, el mundo exige cada vez más energía. Las proyecciones de los
próximos 30 años estiman un incremento del 50%, siendo las fuentes fósiles como
el carbón, petróleo y gas las de mayor demanda, por lo que la industria enfrenta un
doble reto: el suministro de energía y cómo lograrlo responsablemente en las tres
dimensiones: económica, social y ambiental.
El diseño de sistema de recuperación de condensado constituye una parte
importante en la necesidad de optimizar el consumo energético en las actividades
industriales mundiales.
El aprovechamiento de condensados conlleva a dos beneficios principales; el
primero se encuentra asociado al ahorro en aditivos químicos en el tratamiento de
agua para calderas ya que, los condensados retornan en forma de agua tratada que
conserva las propiedades necesarias para el ingreso al sistema. El segundo
consiste en la disminución del combustible necesario en las calderas debido a que
12
el condensado proveniente de otros procesos de calentamiento posee una
temperatura superior al agua que se suministra directamente en la alimentación de
calderas, lo cual hace que el calor necesario para la evaporación disminuya4.
Haciendo referencias a riesgos en la integridad física de los trabajadores se puede
ver afectada en la forma de descargar los condensados además de ser fuente
corrosiva para los equipos cercanos involucrados en la Unidad de Hydrocracking de
ECOPETROL S.A.
El no contar con un retorno de condesado, hace que la empresa pierda la posibilidad
de aprovechar su energía y un notable ahorro económico en el proceso en mención.
Por lo cual en este trabajo se propone el diseño de un sistema de recuperación de
condensado de tipo presurizado, para lo cual realizará inicialmente un estudio del
sistema de vapor que se implementa en la unidad, teniendo información clave de
las condiciones de operaciones y parámetros importantes en la selección de
equipos y dimensionamiento de tuberías de retorno de condensado.
Implementar el diseño del sistema de recuperación de condensado reduciría los
impactos ambientales, reduciría los costos de producción, mantendría la integridad
física del personal que labora en la empresa y la oportunidad de optimizar el sistema
energético de la empresa.
1.4. OBJETIVOS
Objetivo General
Diseñar un sistema de recuperación de condensado de vapor de agua a través de
un sistema presurizado, para reducir los costos operativos en la unidad
Hydrocracking U-110 de Ecopetrol S.A en Cartagena (Bolívar).
4 UMAÑA LOPEZ, Cindy A. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE VAPOR DEL PLANTEL DE REFINERIA, RECOPE S.A., MOÍN-LIMON. Trabajo de grado (Licenciatura en Ingeniería Ambiental). Costa Rica: Instituto Tecnológico de Costa Rica. Escuela de Química Ingeniería Ambiental. 2011, p 2-42.
13
Objetivos Específicos
Diagnosticar las condiciones del proceso de recuperación de condensado de
vapor de agua en la unidad Hydrocracking.
Determinar las condiciones de operación del proceso para diseñar el sistema
más factible de recuperación de condensado de vapor de agua.
Proponer un diseño de integración energética para la recuperación de
condensado de vapor de agua.
Evaluar potencial de reducción real de los servicios industriales a partir de la
recuperación de condensado de vapor de agua en la planta.
14
2. MARCO REFERENCIAL
2.1. ANTECEDENTES
El aprovechamiento energético constituye uno de los aspectos más importante a
nivel industrial y ambiental en 2002 Cornejo5, realizó un estudio que llevo por título
“análisis y calculo energético de un sistema de vapor en una industria de
electrodomésticos” en el cual se destacó como uno de los principales factores la
selección de equipos para la implementación del sistema y el dimensionamiento de
las tuberías de vapor y condensado. Como resultado se planteó una alternativa de
ahorro energético basada en un estudio de perdida de calor para lo cual se
recomendó invertir en aislamiento para las tuberías de vapor.
En 2005 las estrategias de control ambiental se hacen notar en el trabajo realizado
por el centro de promoción de tecnologías sostenibles (CPTS) Bolivia. Cuya función
consiste en prevenir la contaminación ambiental en el sector industrial con la
finalidad de reducir los riesgos humanos, del ecosistema e incrementar la eficiencia
global. La guía busca implementar una filosofía donde sea más económico
“prevenir” que “curar” brindándole a las empresas, consultores, instituciones,
estudiantes y autoridades ambientales material informativo junto con prácticos
ejemplos para colocar en marcha una producción más limpia (PML), donde se incita
a las empresas a realizar evaluaciones y efectuar pruebas sobre aplicabilidad de
este tipo de medidas en los procesos particulares de producción que posean6.
Por otro lado, haciendo énfasis en los sistemas de recuperación de condesado
como una de las estrategias claves de aprovechamiento de energía en el 2009
Martínez enfoca su estudio en una línea de decapado de bobinas laminadas en
caliente, para lo cual diseñó sistema que ahorrara agua desmineralizada en los
5 CORNEJO ZUÑIGA, Fabricio A. Análisis y Calculo Energético de un Sistema de vapor para una industria de Electrodomésticos. Tesis para optar al título de Ingeniero Mecánico. Ecuador: ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL. Faculta de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción. 2002, p 73. 6 CENTRO DE PROMOCION DE TECNOLOGIAS SOSTENIBLES. Guía Técnica General de Producción Más Limpia. Bolivia: CÁMARA NACIONAL DE INDUSTRIAS BOLIVIA. 2005, p 6.
15
baños de lavado del proceso, haciendo uso de un tanque de almacenamiento de
200 m3 que controlara la alta contaminación ocasionada por la corriente de
condesado, el cual permitiera que ésta no se diera en de forma inmediata sino que
fuera progresiva y ejercer control sobre la misma. Por último, la puesta en marcha
de un sistema de recuperación de condensado permite desarrollar el proceso de
decapado de forma más eficiente siendo eco amigable en la reducción de consumo
de agua desmineralizada, gas natural y representando ahorro desde el punto de
vista energético7.
En el 2010 Cadozo realiza una investigación basada en la optimización del sistema
de generación de vapor en la planta Toyota de Venezuela a fin de mejorar sus
procesos, para lo cual se implementó el uso de un tratamiento externo e interno, el
cual consistió en un sistema de suavizado, realizando dosificaciones en las aguas
de calderas con un producto químico denominado RX-112 y evaluando su efecto
sobre el fosfatizado de la carrocería. El objetivo principal se basó en prevenir y tratar
la contaminación y deterioro de equipos realizando tratamientos que aseguraran la
calidad del agua antes de ser distribuida en los distintos procesos. Como Resultado
se encontró que el producto utilizado no afectó la calidad del fosfatizado y se
pudieron identificar puntos con tendencia a corrosión por la presencia de aguas de
enfriamiento para futuras estrategias preventivas8.
La batalla de ahorro de energía mundial no se detiene, en junio del 2012 en pro de
este movimiento Gómez centra su estrategia en un sistema de retorno de
condesado, para lo cual se realizó una inspección por el método de ultrasonido en
las trampas de vapor con el fin de verificar su correcto funcionamiento, para
posteriormente diseñar el sistema de retorno haciendo uso de un modelo PT bomba
mecánica Armstrong, un tanque de almacenamiento de condensado y el respectivo
7 MARTINEZ HERNANDEZ, Miriam. Sistema de Recuperación de Condensados de una Línea de Decapado de Bobinas Laminadas en Caliente. Tesis Máster (Seguridad Industrial Medio Ambiente) Valencia. 2009, p 12-22. 8 CARDOZO D’ARMAS, Samuel. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE VAPOR EN LA PLANTA DE TOYOTA DE VENEZUELA. Trabajo de grado (Ingeniería Química). Sartenejas; Venezuela: Universidad Simón Bolívar. 2010 p 19.
16
dimensionamiento de las tuberías. Como resultado se encontró un ahorro
considerable en la fase de generación de vapor en un 20 al 25% de la mano con la
protección del medio ambiente9.
En la Refinería estatal de esmeraldas en el 2013 Sosa en su trabajo propone
recuperar los condensados de un sistema de drenaje de cabezales de vapor y venas
de calentamiento el cual tuvo como objetivo principal, disminuir riesgos
operacionales, realizar un manejo racional de la energía, disminuir impactos
ambientales y seguridad el personal de trabajo, para alcanzar la meta se inició
realizando una inspección en todo el sistema de vapor esto incluía trampas de
vapor, análisis de los parámetros fisicoquímicos de los condensados, líneas internas
y principales, equipos del área, además de la medición de las condiciones de
operación. Lo cual permitió dimensionar y seleccionar los elementos necesarios
para la integración del sistema de recuperación. Como resultado se pudo estimar
las perdidas por escape de vapor y condensado, el impacto económico e
información de puntos precisos del proceso para realización de estrategias
preventivas y de mantenimiento10.
El movimiento de ahorro energético y los sistemas de recuperación se encuentran
presente en todas las industrias, como lo es el caso de la alimentaria, este caso
Suarez en el 2015 propone en su estudio realizar la recuperación de condensados
de industrias lácteas haciendo uso de una tecnología de ósmosis inversa con
membranas de la gama Duratherm junto con un tratamiento de carbón activado,
teniendo como objetivo la producción de agua de calidad para la alimentación de
calderas. Entre los resultados obtenidos se encontró el cumplimiento real en las
condiciones requeridas para el agua de alimentación, reducción en costos de
9 GOMEZ DALGO, José. Rediseño y recuperación del sistema de retorno de condensado para el ahorro de energía de la empresa Ecuajugos. Trabajo de grado (ingeniería mecánica). Ecuador: Universidad Politécnica SALESIANA. 2012 10 SOSA DAZA, José A. RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS GENERADOS EN EL SISTEMA DE DRENAJE DE CABEZALES DE VAPOR Y VENAS DE CALENTAMIENTO EN EL ÁREA DE SETIL (SERVICIOS AUXILIARES) DE LA REFINERÍA ESTATAL DE ESMERALDAS. Trabajo de grado (Ingeniería Química). Ecuador: Universidad de Guayaquil. Facultad de Ingeniería Química. 2013, p 34
17
producción y definición de rutinas de limpieza para mantenimiento y cuidado de los
equipos11.
Un análisis energético realizado por Vargas en el 2016 incorpora la fase de
recuperación de condensados como parte imprescindible en la optimización en el
sistema de generación y distribución de vapor para la empresa LA IBERICA aplicado
e identificándolo como uno de los factores que inciden en la eficiencia energética.
El estudio inició enunciando las estrategias del programa de mantenimiento,
realizando balances de pérdidas energéticas y costos del sistema a implementar,
posteriormente se evalúan los contaminantes en los diferentes combustibles que se
utilizan dentro de la producción de vapor y se proponen instalaciones de aislamiento
térmico. Como conclusión de esta investigación se encontró que el sistema de vapor
funcionada en su totalidad pero no cumplían con todas las normas que requieren
este tipo de sistemas, se realizaron mantenimientos en pro de la eficiencia
energética además de rentabilidad a largo plazo en proceso una vez implementadas
las estrategias de ahorro12.
Realizando un aporte más en esta investigación, en el 2017 se destaca la
importancia del correcto dimensionamiento en las tuberías de vapor y condensado
en un sistema de recuperación de purgas de fondo de nivel de calderas en una
empresa pesquera de Nuevo Chimbote Perú, el estudio fue realizado por Custodio
y Solís. La principal tarea consistió en diseñar y seleccionar el recuperador,
posteriormente se definen los conceptos fundamentales para establecer el sistema.
En los resultados de la evaluación se pudo observar que la implementación de la
recuperación se pudo ahorra 17632.40 Gal de R-500/ año, una mejora en el proceso
11 SUARÉZ GARCIA, Adrián. RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS DE INDUSTRIAS LÁCTEAS MEDIANTE TECNOLOGIA DE MEMBRANAS. Evaluación técnica y económica. Tesis Doctoral (Biotecnología alimentaria). Oviedo: Universidad de Oviedo. 2015, p 27. 12 VARGAS LEÓN, Maria. ANÁLISIS DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA APLICADO AL MANTENIMIENTO DEL SISTEMA DE GENERACIÓN Y DISTRIBUCION DE VAPOR PARA LA EMPRESA “LA IBÉRICA”. Tesis de grado (Ingeniería de mantenimiento) Riobamba; Ecuador: Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Facultad de Mecánica. 2016, p 2.
18
de producción de vapor, mejorando la eficiencia de la planta y dejando el proyecto
económicamente rentable para la empresa.
2.2. MARCO TEORICO
FUNDAMENTOS DEL VAPOR
2.1.1.1. VAPOR DE AGUA
El vapor de agua es la fase formada cuando el agua pasa de estado, líquido a uno
gaseoso, a nivel molecular es cuando las moléculas de H2O logran liberarse de las
uniones que las mantienen juntas. Se genera cuando se le añade energía calorífica
al agua. Se necesita añadir suficiente energía para que se eleve la temperatura del
agua hasta su punto de ebullición. Después de ello, cualquier energía adicional
transforma el agua en vapor, sin un incremento en la temperatura13.
2.1.1.2. RAZONES PARA LA UTILIZACIÓN DEL VAPOR EN LA INDUSTRIA
El vapor ha sido utilizado como vehículo de energía desde la Revolución Industrial
por diversas razones:
El vapor posee un elevado poder calorífico por unidad de masa, lo que
permite
transportar una buena cantidad de energía por unidad de masa.
El vapor tiene un excelente coeficiente de transferencia térmica (2,3-2,9 kW
/ (m2·Cº), por lo que resulta relativamente fácil que el vapor transfiera su calor
a otros puntos del sistema que se encuentren a menor temperatura.
No necesita energía adicional para su transporte, ya que se distribuye desde
la propia caldera de generación.
No presenta riesgo de incendio.
13 SOSA DAZA, José A. RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS GENERADOS EN EL SISTEMA DE DRENAJE DE CABEZALES DE VAPOR Y VENAS DE CALENTAMIENTO EN EL ÁREA DE SETIL (SERVICIOS AUXILIARES) DE LA REFINERÍA ESTATAL DE ESMERALDAS. Trabajo de grado (Ingeniería Química). Ecuador: Universidad de Guayaquil. Facultad de Ingeniería Química. 2013, p 34.
19
Con un sistema de válvulas resulta sencillo el control de la presión y la
temperatura del sistema de vapor.
La obtención del vapor es sencilla, basta con calentar agua en el interior de
una caldera hasta alcanzar la temperatura y presión adecuadas14.
2.1.1.3. SISTEMA DE VAPOR
Un sistema de vapor es generado inicialmente en una caldera a partir de la
utilización de un combustible, generalmente un derivado del petróleo o biomasa,
como medio aportante de energía, para transformar el agua en vapor, a determinada
presión y temperatura. Luego de ser generado y debido a su presión puede ser
transportado al equipo o proceso consumidor sin necesidad de utilizar algún medio
mecánico15.
El sistema de vapor tiene dentro de su configuración gran cantidad de elementos
(ver figura 1) en cuanto a operación y control, dentro de ellos se encuentran:
Calderas.
Controladores de presión y temperatura.
Válvulas reguladoras de flujo.
Válvulas de seguridad.
Tanque de condensados.
Trampas de vapor.
Redes de distribución.
Equipos consumidores.
Sistema de recuperación de calor.
Bomba de alimentación.
14 MARTINEZ HERNANDEZ, Miriam. Sistema de Recuperación de Condensados de una Línea de Decapado de Bobinas Laminadas en Caliente. Tesis Máster (Seguridad Industrial Medio Ambiente) Valencia. 2009, p 12-22. 15 BORJA AVIRAMA, Jhon E. MEJORAMIENTO EN LA RED DE RECUPERACION DE CONDENSADOS EN LA LÍNEA UNO DE VULCANIZACIÓN DE LA COMPAÑÍA MICHELIN COLOMBIA. Tesis para optar al título de ingeniero mecánico. Santiago; Chile: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de ingeniería. 2011, p 23-25
20
Figura 1. Elementos que conforman un sistema de vapor16
RECUPERACION DE CONDENSADOS
El condensado es el subproducto de la transferencia de calor en un sistema de
vapor. Este se forma en los sistemas de distribución por causas de pérdidas
energéticas por radiación y conducción, también en sistemas de calentamiento y
equipos de proceso como resultado de la transferencia de calor desde el vapor a la
sustancia o material que se va a calentar; como por ejemplo se forma condensado
a partir del vapor utilizado en turbinas, deshollinadores, pre calentadores de aire e
intercambiadores de calor que va cediendo parte de su energía.
El condensado que se forma en los sistemas de vapor debe ser removido
inmediatamente y usado en la alimentación de las calderas ya que este conserva el
25% de la energía que proporciona la caldera en la producción de vapor y es un
subproducto de alto valor al tratarse de agua pura17.
16 UMAÑA LOPEZ, Cindy A. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE VAPOR DEL PLANTEL DE REFINERIA, RECOPE S.A., MOÍN-LIMON. Trabajo de grado (Licenciatura en Ingeniería Ambiental). Costa Rica: Instituto Tecnológico de Costa Rica. Escuela de Química Ingeniería Ambiental. 2011, p 2-42. 17 SOSA DAZA, José A. RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS GENERADOS EN EL SISTEMA DE DRENAJE DE CABEZALES DE VAPOR Y VENAS DE CALENTAMIENTO EN EL ÁREA DE SETIL (SERVICIOS AUXILIARES) DE LA REFINERÍA ESTATAL DE ESMERALDAS. Trabajo de grado (Ingeniería Química). Ecuador: Universidad de Guayaquil. Facultad de Ingeniería Química. 2013, p 34.
21
2.1.2.1. IMPORTANCIA DE UNA RECUPERACION EFICAZ DE CONDENSADOS
El retorno de condensado al tanque de alimentación de la caldera es reconocido
como la manera más efectiva de mejorar la eficiencia de la planta de vapor. Formado
por vapor condensado, hay que drenar el condensado líquido de las tuberías y
equipos para evitar el riesgo de golpes de ariete.
Los golpes de ariete son un peligro en líneas de distribución de vapor mal drenadas,
cuando el condensado se acumula y forma una bolsa sólida de agua. Esta agua no
se puede comprimir, a diferencia del vapor, y puede causar daños cuando es
arrastrada por el vapor a alta velocidad18. A continuación, en la figura 2, se muestra
el contenido de calor del vapor y del condensado a la misma presión, de aquí se
puede ver que el condensado contiene alrededor de un cuarto de la energía que
tiene el vapor del que procede.
Figura 2. Relación condesado, vapor19
2.1.2.2. SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS
En todas las líneas y equipos de vapor siempre existe condensación debido al
gradiente térmico existente entre las paredes interiores de la conducción, en
contacto con el vapor, y las paredes exteriores, que están a temperatura ambiente
(con o sin aislamiento). Mediante la instalación de un sistema de recuperación de
18 SPIRAXSARCO. Recuperación de condensado en sistemas industriales de vapor. p 3-9. 19 Ibíd., p.5.
22
condensados no sólo se recupera la masa de agua tratada, sino también la energía
térmica que contiene. Los principales problemas que presenta el condensado son:
Corrosión de las superficies metálicas.
Disminución del coeficiente de transmisión de calor.
Golpe de ariete que puede llevar asociado el condensado, por el flujo de
vapor en forma de partículas por el interior de la conducción que alcanzan
velocidades de hasta 45 m/s. El golpe de ariete se produce cuando el
condensado, en vez de ser purgado en los puntos bajos del sistema, es
arrastrado por el vapor a lo largo de la tubería y se detiene bruscamente al
impactar con algún obstáculo del sistema. Para evacuar el condensado del
sistema de vapor, se instalan trampas de vapor. Su función principal es
eliminar el condensado, el aire y otros gases no condensados de las redes
principales y de los equipos que trabajan con vapor, lo más rápidamente
posible20.
Las trampas de vapor deben proporcionar:
Pérdidas de vapor mínimas
Resistencia a la corrosión
Venteo del aire y de otros gases
Funcionamiento en contrapresión.
2.1.2.3. TRAMPAS DE VAPOR
Existen tres tipos de trampas de vapor las cuales se enuncia a continuación:
Grupo termostático: Identifica el vapor y el condensado mediante la diferencia de
temperatura a la que opera un elemento termostático. Es decir, el condensado debe
enfriarse por debajo de la temperatura de vapor antes de ser eliminado. En la figura
3 se puede observar una trampa de vapor termostática.
20 MARTINEZ HERNANDEZ, Miriam. Sistema de Recuperación de Condensados de una Línea de Decapado de Bobinas Laminadas en Caliente. Tesis Máster (Seguridad Industrial Medio Ambiente) Valencia. 2009, p 12-22.
23
Figura 3. Trampa de vapor termostática21.
Grupo mecánico: Las trampas de este tipo operan mecánicamente por la diferencia
de densidad entre el vapor y el condensado. El movimiento de un flotador o de un
balde actúa sobre la válvula de salida. Este tipo de trampa se representa en la figura
4. Las trampas mecánicas son las que se emplean cuando se requiere una rápida
evacuación del condensado.
Figura 4. Trampa de vapor mecánica22.
Grupo termodinámico: Estas trampas trabajan por la diferencia de velocidad entre
el vapor y el condensado. La válvula consiste en un disco que cierra con la alta
velocidad del revaporizado (vapor producido espontáneamente al descargar el
condensado de un nivel de presión a otro menor) y abre con la baja velocidad del
condensado. Se puede ver una trampa termodinámica en la figura 5, en el caso de
21 Ibíd. , p. 19. 22 Ibíd. , p. 20.
24
que exista riesgo de heladas es recomendable la instalación de purgadores
termodinámicos.
Figura 5. Trampa de vapor termodinámica23.
SISTEMAS DE RECUPERACIÓN DE CONDENSADO VENTEADOS VS.
PRESURIZADOS
En un sistema venteado de recuperación de condensados, se usa la presión a la
entrada de la trampa de vapor o una bomba para llevar el condensado a un tanque
colector abierto a la atmósfera, donde puede utilizarse como agua de alimentación
a la caldera, pre-calentamiento u otras aplicaciones de agua caliente.
En un sistema presurizado de recuperación de condensado, éste se mantiene a una
presión mayor a la atmosférica durante todo el proceso de recuperación.
Generalmente, el condensado presurizado sirve como agua de alimentación a la
caldera. Como tanto el vapor flash como el vapor vivo en el retorno vienen
presurizados, pueden ser reusados en aplicaciones como calderas de recuperación
(que requieran un intercambiador) y sistemas en cascada.
Además de la presión, otra importante diferencia entre los sistemas venteados y
presurizados es la temperatura a la que se recupera el condensado. En el sistema
venteado, como el condensado es recuperado a presión atmosférica, la máxima
23 Ibíd. , p. 21.
25
temperatura que podrá tener es un valor un poco menor que 100 °C debido al
flasheo que ocurre a dicha temperatura y a la pérdida de energía en la tubería de
retorno y en los equipos.
En un sistema presurizado, el condensado se puede recuperar a temperaturas
mayores. Por ejemplo, en un sistema cerrado con vapor a 10 bar(g) el condensado
puede recuperarse a 184 °C si es enviado a un deareador o un sistema similar que
aproveche el calor del líquido a alta temperatura24.
CALDERAS
2.1.4.1. SISTEMA DE COMBUSTIBLE PARA LAS CALDERAS
Su función es suministrar el combustible al quemador que a su vez producirá la
flama en la caldera que transformará el agua tratada en vapor. Además de utilizar
combustibles líquidos algunos equipos también utilizan gas natural o mezclas de
gases como en el caso del flexigas en las empresas petroleras. Componentes:
Tanque de combustible: es un recipiente cilíndrico donde se almacena el
combustible que será suministrado por la bomba al quemador.
Bomba de combustible: Se encarga de generar un cabezal de presión para bombear
el combustible desde el tanque de combustible hasta el quemador25.
2.1.4.2. SISTEMA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN A LAS CALDERAS
Uno de los factores principales para la operación óptima de una caldera es el de
contar con un sistema de suministro de agua el cual sea adecuado para cada caso
en particular. Esto es debido a que es indispensable mantener un nivel de agua
24 TLV. Recuperación de Condensado: Sistemas Venteados vs. Presurizados [en línea]. < https://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/vented-pressurized-condensate-recovery.html > [citado en 18 de Noviembre 2017]. 25 SOSA DAZA, José A. RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS GENERADOS EN EL SISTEMA DE DRENAJE DE CABEZALES DE VAPOR Y VENAS DE CALENTAMIENTO EN EL ÁREA DE SETIL (SERVICIOS AUXILIARES) DE LA REFINERÍA ESTATAL DE ESMERALDAS. Trabajo de grado (Ingeniería Química). Ecuador: Universidad de Guayaquil. Facultad de Ingeniería Química. 2013, p 34.
26
constante en el interior de la caldera para que no ocurra un siniestro o falla de alguna
de sus partes. Todo sistema efectivo de alimentación de agua a calderas debe
contar con:
Reserva mínima de agua (tanque de almacenamiento)
Equipo de bombeo
Control de sistema
2.1.4.3. TRATAMIENTO DE AGUA DE ALIMENTACIÓN A LAS CALDERAS
El tratamiento del agua de una caldera de vapor o agua caliente es fundamental
para asegurar una larga vida útil libre de problemas operacionales, reparaciones de
importancia y accidentes. El objetivo principal del tratamiento de agua es evitar
problemas de corrosión e incrustaciones, asegurando la calidad del agua de
alimentación y del agua contenida en la caldera.
El aseguramiento de la calidad del agua de alimentación y agua de la caldera se
consigue cumpliendo con los requerimientos de las normas, que definen los límites
recomendados para los parámetros involucrados en el tratamiento del agua. El
tratamiento del agua deberá tener en cuenta la cantidad de sólidos disueltos en el
agua ( STD), que pueden ser medidos de forma indirecta mediante la conductividad
del agua, para posteriormente con el uso de tablas lo convierten a valores de
concentración en partes por millón.
Equipos comunes de pre-tratamiento de agua son los ablandadores, estos
dispositivos cumplen la función de cambiar los iones de magnesio y calcio que
producen precipitados por iones de sodio en el agua puesto que este último no
forma aquellos sedimentos. Los iones de sodio provienen del cloruro de sodio con
el que se forma una solución con agua llamada salmuera.
Otro mecanismo para tratar el agua es el uso de tanques calentadores y
deareadores que cumplen la función de calentar, almacenar y remover el oxígeno
corrosivo del agua que será proporcionada al generador26.
26 Ibíd., p. 26
27
2.1.4.4. PARÁMETROS TRATAMIENTO DE AGUA
Los principales parámetros involucrados en el tratamiento del agua de una
caldera, son los siguientes:
pH. El pH representa las características ácidas o alcalinas del agua, por lo que su
control es esencial para prevenir problemas de corrosión (bajo pH) y depósitos (alto
pH).
Dureza. La dureza del agua cuantifica principalmente la cantidad de iones de calcio
y magnesio presentes en el agua, los que favorecen la formación de depósitos e
incrustaciones difíciles de remover sobre las superficies de transferencia de calor
de una caldera.
Oxígeno. El oxígeno presente en el agua favorece la corrosión de los componentes
metálicos de una caldera. La presión y temperatura aumentan la velocidad con que
se produce la corrosión.
Hierro y cobre. El hierro y el cobre forman depósitos que deterioran la transferencia
de calor. Se pueden utilizar filtros para remover estas sustancias.
Dióxido de carbono. El dióxido de carbono, al igual que el oxígeno, favorece la
corrosión. Este tipo de corrosión se manifiesta en forma de ranuras y no de
tubérculos como los resultantes de la corrosión por oxígeno.
Fosfato. El fosfato se utiliza para controlar el pH y dar protección contra la dureza.
Sólidos disueltos. Los sólidos disueltos la cantidad de sólidos (impurezas)
disueltas en al agua.
Sólidos en suspensión. Los sólidos en suspensión representan la cantidad de
sólidos (impurezas) presentes en suspensión (no disueltas) en el agua.
Secuestrantes de oxígeno. Los secuestrantes de oxígeno corresponden a
productos químicos (sulfitos, hidrazina, hidroquinona, etc.) utilizados para remover
el oxígeno residual del agua.
28
Sílice. La sílice presente en el agua de alimentación puede formar incrustaciones
duras (silicatos) o de muy baja conductividad térmica (silicatos de calcio y
magnesio).
Alcalinidad. Representa la cantidad de carbonatos, bicarbonatos, hidróxidos y
silicatos o fosfatos en el agua. La alcalinidad del agua de alimentación es
importante, ya que, representa una fuente potencial de depósitos.
Conductividad. La conductividad del agua permite controlar la cantidad de sales
(iones) disueltas en el agua27.
HYDROCRACKING
Es un proceso de craqueo catalítico de fracciones pesadas de hidrocarburos en
presencia de hidrógeno para obtener fracciones livianas. Durante el proceso el
hidrógeno satura las porciones de cadenas craqueadas formando productos de
menor peso molecular. Este proceso debe ser adecuadamente controlado en lo
referente a la alimentación de hidrógeno para evitar la formación de fracciones muy
livianas y minimizar la formación de cadenas pesadas.
Los productos finales son gas, propano / butano, gasolinas, kerosene, diésel, gas
oil y residuo .
Las ventajas de este proceso radican en que gravedad promedio resultante está por
encima de los 40°API y además se obtiene una ganancia en volumen no menor del
20% del volumen de la carga. Con esta gravedad la proporción de mezcla sería de
un volumen de crudo liviano por cuatro volúmenes de crudo pesado28. En la figura
6, se puede observar el diagrama de la unidad U-110 Hydrocracking de la Refinería
de Cartagena.
27 Ibíd., p. 28 28 PANTIGOSO ANDONAIRE, Carlos F. ALTERNATIVAS PARA LA EXPLOTACIÓN DE CRUDO PESADO EN LA SELVA NORTE DEL PERU – PROPUESTAS PARA UN DESARROLLO INTEGRAL ESTADO/CONTRATISTA. Trabajo de grado (Ingeniería de Petróleo) Perú: Universidad Nacional de Ingeniería. Facultad de ingeniería de Petróleo, gas natural y petroquímica. 2006, p 73.
29
Figura 6. Unidad U-110 HYDROCRACKING de ECOPETROL S.A Cartagena.
2.3. MARCO LEGAL
Partiendo de la idea de que todos los componentes de la investigación deben
satisfacer criterios referentes a la salud ocupacional, seguridad de procesos,
estándares de ingeniería entre otros, a continuación, se enmarcan en las diferentes
normas que los regulan:
NTC1486 Norma Técnica Colombiana para la presentación del
presente trabajo.
NTC5613 Norma Técnica Colombiana para la realización de
referencias bibliográficas del presente documento.
NTC4490 Norma Técnica Colombiana para el uso de referencias
documentales.
ASME
American Society of Mechanical Engineers, Boiler and
presure Vassel Code (código de calders y recipientes a
presión de la ASME) necesario para establecer las
dimensiones de los equipos a diseñar entre los parámetros
permisibles.
ISO 9001 Necesaria para tener en cuenta la mejora de la calidad de
los procesos en la empresa e integrar el nuevo diseño.
30
ISO 14001
Busca mantener a la empresa comercialmente exitosa sin
pasar por alto sus responsabilidades medioambientales al
cual ayudara el diseño, reduciendo el vertimiento de aguas
al medio a altas temperaturas.
NBIC National Board Inspection Code. Código de inspección
utilizado por el inspector de los equipos sometidos a presión.
Tabla 1. Normas que asociadas al marco legal de la investigación
2.4. MARCO CONCEPTUAL
PRESURIZADO: Sé trata de la acción que se desarrolla para resguardar, en un
cierto ámbito, las condiciones normales de presión atmosférica, aun cuando en el
exterior dicha presión sea muy diferente.
CONDENSACIÓN: La condensación es el cambio de estado de la materia que se
encuentra en forma gaseosa (generalmente vapores) y pasa a forma líquida. Es el
proceso inverso a la vaporización.
PURGA: Una purga es una corriente de salida que se utiliza para sacar de un
proceso dado una fracción de otra corriente, se utiliza mucho en los casos en que
existe recirculación de productos o en circuitos cerrados de agua o vapor.
31
3. DISEÑO METODOLOGICO
3.1. TIPO DE INVESTIGACION
La presente investigación es de tipo proyectiva, ya que tiene como objetivo diseñar
o crear respuestas dirigidas a resolver determinadas situaciones. Los proyectos de
arquitectura e ingeniería, el diseño de maquinarias, la creación de programas de
intervención social, el diseño de programas de estudio, los inventos, la elaboración
de programas informáticos, entre otros son ejemplos de investigación proyectiva,
este tipo de investigación potencia el desarrollo tecnológico29
3.2. ENFOQUE ADOPTADO
En la presente investigación se adopta un enfoque mixto ya que combina el tipo
cuantitativo permitiendo realizar una medición numérica, hacer análisis estadístico,
caculos, modelos matemáticos y el enfoque cualitativo permite realizar la
recolección de datos sin medición numérica, busca descubrir o afinar preguntas de
investigación, realizar observaciones detalladas de expresiones verbales y o
verbales; así como conductas o manifestaciones como lo enuncia Sampieri en su
libro30.
Por otro lado, el cualitativo da profundidad a los datos, la dispersión, la riqueza
interpretativa, la contextualización del ambiente o entorno, los detalles y las
experiencias únicas. Por lo cual ambos enfoques permiten realizar un mejor análisis
3.3. DISEÑO ADOPTADO
En el presente trabajo se adopta un modelo de diseño no experimental, siendo este
el más apropiado, ya que permite realizar la toma de datos sin manipular
deliberadamente las variables, como lo enuncia Hernández y compañía.
29 BRIONES, Guillermo. Métodos y técnicas de investigación para las ciencias sociales. 3. a Ed. México: Triallas, 1990, p 291. 30 SAMPIERI HERNANDEZ, Roberto. Metodología de la investigación. Sexta edicion. México: Editorial Mc Graw Hill/ INTERAMERICANA EDITORES, S.A, 2014. ISBN: 978-1-4562-2396-0.
32
Permitiendo observar fenómenos tal y como se dan en su contexto natural, para
después analizarlos.
3.4. TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN
FUENTES DE INFORMACION PRIMARIA
Las fuentes de información primaria de esta investigación corresponden a los
diagramas de procesos los datos de campo pertenecientes a la unidad de estudio,
donde se podrán observar los puntos claves para realizar el diseño del sistema de
recuperación de condensado y los datos operacionales de los equipos que
conforman la unidad U-110 Hydrocracking de ECOPETROL S.A para lograr
establecer el dimensionamiento y selección adecuado de los elementos que hacen
parte del sistema a proponer.
FUENTES DE INFORMACION SECUNDARIA
Las fuentes de información segundaria de esta investigación corresponden a una
recopilación bibliográfica de artículos, libros, trabajos de grados, sitios web que
permitan fortalecer y mejorar el enfoque de la investigación.
3.5. HIPOTESIS DEL TRABAJO
El diseño de un sistema de recuperación de condensado de baja presión en la
unidad U-110 Hydrocracking de ECOPETROL S.A Cartagena (Bolívar), reducirá los
costos de producción al menos en un 5% y permitirá un aprovechamiento más
adecuado de la energía en la empresa.
3.6. VARIABLES
Temperatura
Presión
Potencial de hidrogeno (pH)
Nivel
33
3.7. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES
VARIABLE DEFINICION DIMENSION INDICADORES
Temperatura
Es una magnitud física que
refleja la cantidad de
energía interna, ya sea de
un cuerpo, de un objeto o
del ambiente.
Temperatura
inicial.
Temperatura
final
°F
Presión
Es la magnitud física que
refleja la fuerza que un
cuerpo ejerce sobre la
unidad de superficie.
Presión
inicial.
Presión
final.
PSI
pH
Es una medida de acidez o
de alcalinidad de una
disolución. Indica el
contenido de iones de
hidrogeno en determinadas
soluciones.
pH inicial
pH final
pH
,Nivel
Altura a la cual llega un
líquido, sobre una
superficie de referencia.
Niel de
operación %(porcentaje)
Volumen
es una magnitud métrica de
tipo escalar definida como
la extensión en tres
dimensiones de una región
del espacio.
Vol inicial
Vol final m3
Tabla 2. Operacionalización de variables
3.8. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN
La información obtenida y recopilada para el desarrollo de la investigación será
presentada por medio de gráficas, tablas, cuadros, figuras, diagramas, fotografías y
34
serán utilizadas técnicas de análisis para datos como las técnicas estadísticas
descriptiva como la moda, la media, la mediana, la regresiva, técnicas estadísticas
inferencial multivariada (anova), técnicas para desarrollar análisis de seguridad
como el principio de ALARP, la lista de verificación , análisis de árbol de falla, le
Mort, el Hazop entre otros.
3.9. PLAN DE TRABAJO
Para llevar a cabo el diseño del sistema de recuperación de condensado en la
unidad U-110 Hydrocracking de la empresa ECOPETROL S.A Cartagena se
seguirá la metodología que se presenta a continuación la cual se divide en las
siguientes actividades planteadas.
Recopilación de datos en información operacional de los equipos y sistema
de vapor en la unidad Hydrocracking.
Realizar revisión bibliográfica asociada a la temática a desarrollar.
Realizar inspección visual del sistema de vapor de la unidad para reconocer
el área de estudio, los elementos y equipos que lo conforman.
Consultar expertos en el área e investigar bibliográficamente como diseñar e
implementar sistemas de recuperación de condensado.
Realizar mediciones de condiciones de operación, tales como volumen de
condensado que se produce, vapor “flash” temperaturas, contaminantes,
fases en el flujo.
Delimitación del área y equipos para los cuales se diseñará el sistema de
recuperación de condensado.
En esta sección se identifican los puntos donde se genera el condesado a recuperar
a través del diagrama de la unidad U-110.
35
Selección del sistema de recuperación de condensado.
Una vez adquirida la información operacional del proceso y el sistema de vapor y
recolección de condesado se selecciona el tipo de sistema a implementar más a
adecuado a las condiciones de operacionales.
Dimensionamiento del sistema de tubería.
El problema más importante es la necesidad de lidiar con vapor flash o secundario
por la descarga de condensado caliente. Una tubería de retorno debe de ser capaz
de llevar condensado y vapor flash a una velocidad razonable; así mismo una caída
de presión aceptable, ya que el volumen del vapor flash es varias veces mayor que
el volumen de condensado31. Los parámetros necesarios para dimensionar tuberías
de retorno de condensado se presentan a continuación:
Caudal de condensado
Presión de vapor
Presión en la tubería de retomo
Velocidad permisible en la tubería de retorno
Composición de condensado.
Selección de la Bomba
La selección del tipo de bomba a usar dependerá de las condiciones operacionales
del proceso y de los siguientes parámetros:
Caudal
Temperatura
Eficiencia
Selección y dimensionamiento del tanque colector de condensado y vapor
flash
31 SOSA DAZA, José A. RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS GENERADOS EN EL SISTEMA DE DRENAJE DE CABEZALES DE VAPOR Y VENAS DE CALENTAMIENTO EN EL ÁREA DE SETIL (SERVICIOS AUXILIARES) DE LA REFINERÍA ESTATAL DE ESMERALDAS. Trabajo de grado (Ingeniería Química). Ecuador: Universidad de Guayaquil. Facultad de Ingeniería Química. 2013, p 34.
36
Se realizará la selección de un taque de recuperación de condensado y vapor flash
con la finalidad de colectar, separar, así mismo distribuir el condensado; Conforme
las condiciones del fluido y de la línea de retorno32. Los parámetros necesarios en
esta sección son:
Presión en las trampas de vapor
Presión del vapor flash existente
Caudal de condensado
Tiempo de residencia del condesado en el colector
Temperatura de entrada al tanque colector
Nivel de corrosión del condensado.
Elaboración Diagrama del sistema de recuperación propuesto
Realizada la selección de equipos para la integración del sistema y con la
información de las condiciones de operación se procede a la elaboración del
diagrama de recuperación de condensado que se propone en el presente proyecto
usando herramienta computacional Microsoft Visio.
Evaluación la viabilidad Financiera del sistema de recuperación propuesto
Estimar el ahorro generado por la instalación del sistema de recuperación de
condensado teniendo en cuenta los siguientes rubros:
Estimado de ahorro de combustible en calderas
Abastecimiento y tratamiento de agua
32 Ibíd., p 63.
37
Figura 7. Diagrama de flujo sistema de recuperación de condensado
38
4. RESULTADOS
A continuación, en la tabla 3 se presenta la información operacional necesaria para
la realización del diseño del sistema de recuperación condesados de la unidad U-
110 Hydrocracking. Para la obtención de los siguientes datos se realizaron
mediciones en las zonas de interés, el número fue de tres muestras por día, en un
periodo de una semana, donde no se encontró variación representativita. Una vez
terminada la recolección fueron promediados antes de ser utilizados en los cálculos
de diseño.
Nombre Numero Unidad
T salida de condensados 95 C
condensado a recuperar 0.0005 m3/s
flujo entrada intercambiador 1 0.003 m3/s
flujo de entrada intercambiador 2 0.003 m3/s
presión de operación 3.4 Atm
Tabla 3. Condiciones operacionales
Delimitación del área y equipos para los cuales se diseñará el sistema de
recuperación de condensado.
El sistema de recuperación de condensados se realiza a partir del cabezal colector
de condensado situado en la unidad en mención y el flujo a trabajar es de
aproximadamente 9 gpm. Ahora se procede al cálculo y dimensionamiento de los
componentes del sistema a proponer. En la figura 7 se muestra el diagrama de la
empresa y se señala la ubicación del cabezal colector.
39
Figura 7. Diagrama para la delimitación de área de la Unidad U-110
HYDROCRACKING de ECOPETROL S.A Cartagena.
Selección de sistema de condensados
Con la finalidad de reducir el consumo de energía en la unidad se selecciona un
sistema tipo presurizado ya que Los sistemas convencionales de recuperación de
condensado que funcionan a presión atmosférica representan una barrera natural a
la cantidad de energía recuperada de condensado que se puede utilizar33.
Según estudios este tipo de sistemas permiten ahorrar mínimo de un 15% al 35%
en combustible en comparación con un sistema de retorno de condensado utilizando
un tanque con venteo a la atmosfera. Si se desea maximizar o incrementar la
eficiencia del sistema de vapor de una empresa se recomienda el uso de estos
sistemas.34
Análisis químico del condensado a tratar
33 SPIRAXSARCO. Recuperación de condensado en sistemas industriales de vapor. p 3-9. 34 VILLACRES, Jorge; ANDRARE, Francisco. Ahorro Energético en el Sistema de Recuperador de Condensados de una Planta Industrial en Guayaquil utilizando un Surge Tank. Guayaquil; Ecuador: Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL). Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de Producción
40
De acuerdo a la información proporcionada por la empresa la composición del
condensando a tratar se presenta en la siguiente figura 8.
Tabla 4. Resultado análisis químico
La principal propiedad química que debemos considerar en el material a seleccionar
en la fabricación de recipientes a presión, es su resistencia a la corrosión. Este factor
es de mucha importancia, ya que un material mal seleccionado puede causará
múltiples problemas en los equipos construidos y riesgos operacionales. Según el
ministerio de la protección social ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo
territorial en su decreto 2115 señala que el pH óptimo de las aguas para el consumo
humano debe estar entre 6,5 y 8,5, es decir, entre neutra y ligeramente alcalina, el
máximo valor aceptado es de 9. Las aguas de pH menor de 6,5, son corrosivas, por
el anhídrido carbónico, ácidos o sales ácidas que tienen en disolución.
Teniendo en cuenta que el análisis químico se registrada el valor para el pH que se
presenta es de 8.86 no se encuentra alta amenaza corrosiva, ya que su valor es
semejante al permisible en las aguas potables por lo cual se procede a realizar la
selección del material para los equipos a diseñar.
Selección del material de equipos a diseñar
41
En la siguiente tabla 4 se muestra el tipo de agua a tratar y la compatibilidad con los
distintos materiales, siendo el agua de retorno de condensados acta para trabajar
en gran número de estos, se seleccionó acero comercial, ya que representa una
considerable ventaja económica y este a su vez puede ser utilizado para el resto de
componentes que hacen parte del diseño.
Tabla 5. Tabla para la selección de materiales35.
Selección de la bomba
35 MEGYESY, Eugene. Manual de Recipientes a presión, diseño y cálculos. 1 ed. México: LIMUSA, 1989. 45 p. ISBN 968-18-1985-3
42
La presión de salida en la bomba está determinada por la presión de operación de
los intercambiadores a los que se envía el flujo.
Propiedades del flujo de alimentación:
𝜌 = 962.71𝑘𝑔
𝑚3
𝜇 = 0.000298𝑘𝑔
𝑚 𝑠
𝑃𝑣 = 0.829 𝑎𝑡𝑚
El aumento de presión a través de la bomba
∆𝑃 = 17.01 𝑎𝑡𝑚 − 3.4 𝑎𝑡𝑚 = 13.6 𝑎𝑡𝑚
La cabeza de la bomba es:
Si ya conocemos la presión aplicamos el factor de conversión de presión a cabeza
(carga estatica).
𝐻 =∆𝑃
𝜌=
13.6 𝑎𝑡𝑚
962.71𝑘𝑔𝑚3
(10332.246
𝑘𝑔𝑚2
1 𝑎𝑡𝑚) = 145.9 𝑚
La viscosidad cinemática es
𝑣 =𝜇
𝜌=
0.000298𝑘𝑔𝑚 𝑠
962.71𝑘𝑔𝑚3
= 3.095 ∗ 10−7 𝑚2
𝑠
Como la viscosidad es bastante baja se elige una bomba centrifuga de flujo radial
(para fluidos con viscosidad pequeña).
3.40 atm
95º C
9 gpm
17.01 atm
43
Primero es necesario comprobar el NPSH (Cabeza de Succión Neta Positiva)
disponible
𝑁𝑃𝑆𝐻 =𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 − 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 = (3.4 𝑎𝑡𝑚 − 0.829 𝑎𝑡𝑚
962.71𝑘𝑔𝑚3
) (10332.246
𝑘𝑔𝑚2
1 𝑎𝑡𝑚) = 27.53 𝑚
Suponemos que podemos adquirir una bomba centrífuga radial con un 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟 < 5.
Se seleccionó la bomba OHHL ISO 13709 (API 610) Type OH2 de SULZER, por
presentar los requerimientos mínimos del proceso, hecha en cuerpo de hierro
fundido y rodete en acero inoxidable, con una eficiencia del 89%. La curva de
operación de la bomba seleccionada se muestra en la figura 9, para más detalles
(ver anexo A).
Figura 8.Curva de operación de la bomba
(9,728.31)
(0,479.2)
44
Tabla 6. especificaciones de la bomba.
La carga dinámica de la bomba estará determinada por:
ℎ𝑙 =𝑓𝐿𝑣2
2𝐷𝑔
ℎ𝑙 =(0.08)(70 𝑚) (2.25
𝑚𝑠 )
2
2(0.01905 𝑚) (9.8𝑚𝑠2)
ℎ𝑙 = 75.93 𝑚
La carga total de la bomba será:
𝐻𝑡 = 𝐻 + ℎ𝑙
𝐻𝑡 = 145.9 𝑚 + 75.93 𝑚
𝐻𝑡 = 221.93 𝑚
El punto de operación de la bomba es:
45
9 𝑔𝑝𝑚 𝑦 221.93 𝑚
Material de la bomba36
Figura 10. Material de la bomba
Partiendo de la ecuación del consumo energético de un motor eléctrico (𝑃𝐶):
𝑃𝐶 =𝑃𝑇
𝜂𝑃𝜂𝑀=
𝑃𝐵
𝜂𝑀=
𝑄𝐻𝜌
33000𝜂𝑃𝜂𝑀 (𝟓)
𝑃𝑇 (Potencia teórica de la bomba): 𝐻𝑝
𝑃𝐵 (Potencia al freno de la bomba): 𝐻𝑝
𝜂𝑀: Eficiencia del motor eléctrico
𝜂𝑃: Eficiencia de la bomba
𝑄: 𝑔𝑝𝑚
36 HMS Group. Recuperado de http://www.hms.biz/pumps_catalog/?SECTION_ID=807
46
𝐻 (𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎): 𝑓𝑡
𝜌:𝑙𝑏
𝑔𝑎𝑙
La potencia al freno de la bomba será determinada por la siguiente ecuación:
𝑃𝑏 =𝑄𝐻𝜌
33000𝑛𝑝
𝑃𝑏 =(9)(728.31 𝑚)(8.034)
33000(0.89)
𝑃𝑏 = 1.79 𝐻𝑝
La potencia de la bomba será:
𝑃𝑇 = 𝑃𝐵𝜂𝑃
𝑃𝑇 = (1.79 𝐻𝑝)(0.89)
𝑃𝑇 = 1.59 𝐻𝑝
Dimensionamiento de tanque de almacenamiento presurizado
Debido a que el sistema seleccionado es de tipo presurizado, el dimensionamiento
del tanque se realiza teniendo en cuenta los manuales de recipientes a presión del
Código A.S.M.E., Sección VIII División 1. El volumen del tanque que se asume es
de 50 galones y un tiempo de permanencia de 6.25 min aproximadamente.
Se calcula el nivel del tanque
𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 =3
4𝑉
V=50 L
47
Se determina la relación correcta de longitud de diámetro mediante la siguiente
ecuación. Donde P es la presión de diseño, S es la tensión máxima permisible y E
hace referencia a la eficiencia de la junta y C es el margen por corrosión.
𝐹 =𝑃
𝐶𝑆𝐸
La presión de díselo para los recipientes sometidos a presión se calcula mediante
la siguiente ecuación
𝑃 = 1.1 𝑃𝑜
Donde P es la presión de diseño y Po es la presión de operación la cual se muestra
en la tabla 5.
La tensión máxima permisible es el valor máximo al que podemos someter un
material, que forma parte de un recipiente a presión, en condiciones normales de
operación. Su valor es aproximadamente el 25% del esfuerzo último a la tensión del
material en cuestión. Para los recipientes a presión se obtiene a partir de la siguiente
figura, teniendo en cuenta la temperatura de salida del condensado y el material
seleccionado para la construcción del tanque, siendo este acero al carbón.
48
Tabla 7. Tabla tensión máxima permisible.
Seguidamente la eficiencia de la junta se define como el grado de confiabilidad que
se puede tener de ellas. Sus valores están dados en la Figura 9, en la cual se
muestran los tipos de unión más comúnmente usados en la fabricación de
recipientes a presión.
49
Figura 11. Eficiencia de la soldadura37.
El punto óptimo de eficiencia de soldaduras, por experiencia para los cuerpos
cilíndricos, lo tenemos cuando E = 0.85, es decir, el espesor no es muy grande y el
costo del radiografiado es relativamente bajo. El margen por corrosión asociado a
los cuerpos cilíndricos según la ASME es de aproximadamente 1/8 de pulgadas.
Para estimar el diámetro del tanque se hace uso de la Figura 10 para lo cual se
toma el valor F obtenido anteriormente y el volumen del tanque en pies cúbicos.
37 Ibid., p 10.
50
Figura 12. Selección de diámetro del recipiente38.
El cálculo de la longitud se realizó teniendo en cuanta la siguiente ecuación donde
V y D hacen referencia al volumen del tanque y del diámetro respectivamente.
𝐿 =4𝑉
𝜋𝐷2
38 LEON, Juan. DISEÑO Y CALCULO DE RECIPIENTES A PRESIÓN. 2001, p 263
51
La estimación del espesor mínimo requerido se realiza a partir de la presión de
diseño o PD el diámetro obtenido anteriormente, la eficiencia de la junta y la tensión
máxima permisible del equipo tal como se muestra en la siguiente ecuación.
𝑡 =𝑃𝐷𝐷𝑖
2𝑆𝐸 − 1.2𝑃𝐷
Planteadas las ecuaciones de diseño para el dimensionamiento del tanque de
almacenamiento del sistema de recuperación de condensados se presentan los
valores obtenidos en la siguiente tabla 6.
Notación Definición Valor de
diseño
Unidad
N Nivel 37.5 galones
F Relación Longitud 0.05 adimensional
S Tensión máx.
permisible
0.88 atm
E Eficiencia de la
junta
0.85 adimensional
C Margen corrosión 0,318 cm
L Longitud 107,6 cm
D Diámetro 58 cm
t Espesor min. 0,18 cm
Tabla 8. Cálculos diseño de tanque de almacenamiento.
El Código A.S.M.E., Sección VIII División 1, especifica claramente algunas
limitaciones asociadas al diseño de recipientes cilíndricos a presión las cuales
deben ser acatadas antes de la implementación del sistema de recuperación, por lo
cual se hizo necesario reajustar todos los valores obtenidos a la norma, para la
adquisición del equipo los cuales se pueden observar en la tabla 7.
52
Nombre
Valor de
diseño Unidad
Espesor mínimo (t) 2.38 mm
Vol mínimo 120 galón
Diámetro interior min 6 pulgada
P máxima permisible 3.000 PSIG
P mínima de diseño 15 PSIG
Tabla 9. Consideraciones para el diseño de recipientes a presión según Código
A.S.M.E.
Aislamiento Tanque
Para el aislamiento del tanque se utilizará lana mineral (lana de roca) en forma de
royo, el cual es un aislante presenta muy baja conductividad térmica (0.031 W/m K),
facilidad de instalación y bajo costo.
El espesor mínimo del aislamiento se determinó mediante la siguiente figura39:
Figura 13. Espesor mínimo aislamiento tanque
39 ISOVER. Aislamiento de Tuberías, Soluciones de Aislamiento con Lana Mineral. 2018
53
Debido a que el diámetro del tanque no es excesivamente grande, puede ser
considerado como tubería.
El espesor óptimo se calculó con la siguiente ecuación40:
𝑑 =𝐷
2[𝑒
(𝜆
𝜆𝑟𝑒𝑓ln
𝐷+2𝑑𝑟𝑒𝑓
𝐷)
− 1]
Donde
𝑑(𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚𝑜)[𝑚𝑚]
𝐷(𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑒𝑛)[𝑚𝑚]: 154.78
𝜆(𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒) [𝑊
𝑚𝐾] : 0.031
𝑊
𝑚𝐾
𝑑𝑟𝑒𝑓(𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎)[𝑚𝑚]: 40
𝜆𝑟𝑒𝑓(𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 10º𝐶): 0.04𝑊
𝑚𝐾
Por lo que el espesor del aislante será:
𝑑 =154.78
2[𝑒
(0.0310.04
ln154.78+2(40)
154.78)
− 1]
𝑑 = 29.5 𝑚𝑚
Dimensionamiento de tubería
Para el dimensionamiento de la tubería inicialmente se tiene en cuenta la
composición del condensado que circulará, según el análisis químico esta agua
niveles de corrosión por lo cual, se seleccionó una tubería de acero al carbón cedula
40 cuya longitud de instalación será de 70 metros aproximadamente de acuerdo al
área disponible en planta y la distancia entre los equipos donde se requiere.
40 RITE. Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios
54
Posteriormente se realizó el cálculo del diámetro de tubería para lo cual se obtuvo
un valor de ¾ ’’ haciendo uso de la siguiente ecuación de diseño.
Diámetro de tubería:
𝐷 = √𝑄
𝑉∗
1
𝜋∗ 2
Donde
𝑄 = 𝜌𝑣𝐷
Se consideró una velocidad que no generara arrastre ni sedimentación de 2.25 m/s
aproximadamente, los costos de la tubería dimensionada se pueden observar en el
anexo B41.
Aislamiento de la tubería
Para el aislamiento de la tubería se utilizará lana mineral (lana de roca), cuyo
aislante presenta muy baja conductividad térmica (0.031 W/m K), facilidad de
instalación y bajo costo. El espesor mínimo de aislamiento se determinó mediante
la figura 1242.
41 CRANE. Flow of fluids. Trpugh, valves, fittings and pipe. Metric edition. London: 1986, 65 p. Techical paper No. 410 M. 42 GALEA, José. Programa de formación en refractarios y aislamientos térmicos. 2016
55
Figura 14. Espesor mínimo de aislamiento tubería
El espesor óptimo se calculó con la siguiente ecuación:
𝑑 =𝐷
2[𝑒
(𝜆
𝜆𝑟𝑒𝑓ln
𝐷+2𝑑𝑟𝑒𝑓
𝐷)
− 1]
Donde
𝑑(𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚𝑜)[𝑚𝑚]
𝐷(𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑒𝑛)[𝑚𝑚]: 26.67
𝜆(𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒) [𝑊
𝑚𝐾] : 0.031
𝑊
𝑚𝐾
𝑑𝑟𝑒𝑓(𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎)[𝑚𝑚]: 25
𝜆𝑟𝑒𝑓(𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 10º𝐶): 0.04𝑊
𝑚𝐾
Por lo que el espesor del aislante será:
𝑑 =26.67
2[𝑒
(0.0310.04
ln26.67+2(25)
26.67)
− 1]
𝑑 = 16.89 𝑚𝑚
56
Diagrama de sistema de recuperación propuesto
En la Figura 13 se muestra el sistema de recuperación de condensado propuesto
para la unidad U-110 Hydrocracking de Ecopetrol S.A, donde las dimensiones de
cada equipo representado, fueron planteadas anteriormente, la válvula que se
muestra en la figura es de tipo compuerta, para más especificaciones (Ver ANEXO
C).
Tanque de almacenamiento
B-1
Intercambiador 1
Intercambiador 2
Válvula de paso
Agua caliente proveniente del Cabezal
Agua caliente proveniente de la caldera
Figura 15. Diagrama del sistema de recuperación de condensado propuesto.
57
Figura 16. Diagrama Isométrico del sistema de recuperación de condensado
Evaluación de la viabilidad económica del sistema de recuperación propuesto
Para el análisis económico de la viabilidad del proyecto se estimó el costo de la
cantidad de condensando a recuperar con respecto a la demanda de agua de
calderas requerida a la alimentación de los intercambiadores. Una vez hecho esto
se realizó el cálculo del consumo de la bomba de la siguiente forma, cálculo de
costos de instalación y adquisición de equipos en la siguiente tabla se establecen
algunas de las tarifas de servicios industriales proporcionado por la empresa cuyos
valores están dado en pesos colombianos.
Tabla 10. Tarifas de servicios industriales
58
El cálculo del consumo energético de la bomba se realizó de la siguiente manera:
Consumo diario
(9𝐴)(220𝑉)
1000= 1,98 𝑘𝑊ℎ
Consumo en un año
(1,98 𝑘𝑊ℎ
ℎ) (
8.760 ℎ
1 𝑎ñ𝑜) = 17.344,8
𝑘𝑊ℎ
𝑎ñ𝑜
Costo de consumo en un año
(17.344.8𝑘𝑊ℎ
𝑎ñ𝑜) (
$ 156
1 𝑘𝑊ℎ) = 2′705.788,8
$
𝑎ñ𝑜
Los cálculos para los costos de mantenimiento e instalación fueron estimados para
cada componente de diseño los cuales se muestran a continuación:
Costos de instalación y mantenimiento de la bomba
Instalación
1′619.000$
𝑎ñ𝑜∗ 30% = $ 𝟒𝟖𝟓. 𝟕𝟎𝟎
Mantenimiento
1′619.000$
𝑎ñ𝑜∗ 20% = $ 𝟑𝟐𝟑. 𝟖𝟎𝟎
Costos de instalación y mantenimiento de la tubería
Instalación
$ 466428 ∗ 30% = $ 𝟏𝟑𝟗. 𝟗𝟐𝟖, 𝟒
59
Mantenimiento
$ 466428 ∗ 20% = $ 𝟗𝟑. 𝟐𝟖𝟓, 𝟔
Costos de instalación y mantenimiento del tanque de almacenamiento
Instalación
$ 500000 ∗ 30% = $ 𝟏𝟓𝟎. 𝟎𝟎𝟎
Mantenimiento
$ 500000 ∗ 20% = $ 𝟏𝟎𝟎. 𝟎𝟎𝟎
Costo del aislante de la tubería
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎: 70 𝑚
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑐𝑜𝑞𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎: 1.2 𝑚
# 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑞𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠: 70 𝑚 / 1.2 𝑚 = 59
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑜𝑞𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 (𝑢𝑛𝑖𝑑): 14179.39 $/𝑚
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑞𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠: 59 ∗ 1.2 𝑚 = 70.8 𝑚
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑜𝑞𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 (𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙): 70.8 𝑚 ∗ 14179.39$
𝑚 = $ 𝟏’𝟎𝟎𝟑. 𝟗𝟎𝟎, 𝟖𝟏𝟐43
Costo aislamiento tanque
Área superficial del tanque
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐴𝑙𝑎𝑡 + 𝐴𝑠𝑢𝑝 = 2𝜋𝑟ℎ + 2𝜋𝑟2
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2𝜋(0.2𝑚)(1𝑚) + 2𝜋(0.2𝑚)2
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1.2566 𝑚2 + 0.2513 𝑚2
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1.5079 𝑚2
43 ISOVER. Lista de Precios ISOVER enero 2018
60
Área del rollo de lana mineral (1m*0.6m)
𝐴𝑟𝑜𝑦𝑜 = 0.6𝑚2
Royos necesario:
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐴𝑟𝑜𝑦𝑜=
1.5079
0.6= 2.51 ≅ 3
Área total de los rollos
3 ∗ 0.6𝑚2 = 1.8𝑚2
Precio de royo (unid): 36238.17 $/𝑚2
Precio total de los rollos
1.8 𝑚2 ∗ 36238.17$
𝑚2= $ 𝟔𝟓𝟐𝟑𝟒. 𝟕𝟑𝟔
Costos por tratamiento de agua
Valor kgal agua clarifica* kgal de agua a recuperados año=costos tratamiento de
agua
$12.221*4730.4 kgal/año= $57’810.218
INVERSIÓN AHORRO
Bomba $1′619.000
Consumo de la bomba $ 2′705.788,8
Instalación de la bomba $ 485.700
Mantenimiento de la bomba $ 323.800
Tubería $ 466.428
Instalación de tubería $ 139.928,4
Mantenimiento de tubería $ 93.285,6
61
Aislamiento de la tubería $ 1’003.900,812
Tanque $ 500.000
Instalación tanque $150.000
Mantenimiento tanque $100.000
Aislamiento del tanque $ 65.234,736
Válvula $17.600
Condensado recuperado (9gpm) $ 133′023.578,4
TOTAL $ 125′370.512,1
Tabla 11. Balance de costos anual.
GASTOS ACTUALES AHORRO PORCENTAJE DE AHORRO
$ 1,29𝑥1010 $125′370.512,1 0.972%
Tabla 12. Representación de ahorro.
Recuperación inversión
El ahorro anual será:
$ 133′023.578,4
La inversión total será:
$ 7′670.666,348
El ahorro diario correspondiente es:
$ 133′023.578,4
𝑎ñ𝑜∗
1 𝑎ñ𝑜
12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠∗
1 𝑚𝑒𝑠
30 𝑑𝑖𝑎𝑠= 369509.94
$
𝑑𝑖𝑎
62
El tiempo en que se recuperara la inversión es:
$ 7′670.666,348
369509.94$
𝑑𝑖𝑎
= 20.8 𝑑𝑖𝑎𝑠
haciendo uso del Método Pay Back y de acuerdo a los gastos de inversión y el
ahorro que representa la producción de los 9gm provenientes del agua de calderas,
el ahorro que se conseguiría al implementar el sistema en esta sección de la
empresa seria de aproximadamente un 1% en un tiempo estimado de 21 días.
63
5. CONCLUSIONES
Una vez realizado el diseño del sistema de recuperación de condensados de la
Unidad U-110 HYDROCRACKING de ECOPETROL S.A Cartagena se puede llegar
a las siguientes conclusiones.
un sistema eficaz de recuperación de condensados puede cubrir muy rápidamente
los costos de inversión en comparación con un sistema en el cual todo el
condensado se envía al desagüe. Según la evaluación económica del diseño
propuesto la recuperación de la inversión sería recuperable en un lazo de tiempo de
21 días aproximadamente, lo cual hace que el proyecto sea considerablemente
viable.
Una vez establecidas las condiciones de proceso requeridas para el
aprovechamiento de condesados en el suministro de agua de los intercambiadores
E 101 y E 102, se seleccionó un sistema tipo presurizado, reflejado en el diseño de
los equipos, los cuales fueron dimensionados según el código para recipientes a
presión que reduce las pérdidas de vapor al ambiente.
Por otro lado, el diseño planteado para recuperar el condensado a una taza de 9
galones por min representará un ahorro de 1% aproximadamente para el primer
año, cumpliendo una meta cercana a la propuesta en el presente trabajo asociada
al consumo en la sección de estudio en la empresa, teniendo en cuenta los altos
costos de producción decimas de ahorro son significativas. Si este tipo de sistemas
se implementara de forma general en todas las unidades de la empresa el valor
seria aún más representativo a la hora de reducir costos operacionales. Ya que
contribuye a la alimentación de los intercambiadores de la unidad.
Por último, evitar desaguar el condensado a la temperatura especificada
anteriormente, reduce el agotamiento de un recurso natural no renovable, además
de disminuir los costos de tratamiento de aguas y los riesgos operacionales para el
personal de la empresa. Además, con los resultados obtenidos en la presente
Trabajo se espera servir de apoyo en el desarrollo de proyectos que forman parte
64
de la línea de investigación de ingeniería de procesos de la universidad de San
Buenaventura.
65
6. RECOMENDACIONES
Una vez obtenido los resultados del diseño del sistema de recuperación de
condensados y la viabilidad económica de la Unidad U-110 HYDROCRACKING de
ECOPETROL S.A Cartagena. Una de las principales recomendaciones consiste en
implementar el diseño propuesto para otras unidades de proceso teniendo en
cuenta la variabilidad de las condiciones operacionales al realizar este tipo de
recuperación de forma general se podrá ver un ahorro representativo en los costos
operacionales de la empresa.
Un Control cascada entre la línea de salida de agua de calderas y el condensado
recuperado proveniente del tanque de almacenamiento permitirá optimizar el
proceso recuperación para la alimentación a los intercambiadores mencionados y a
su vez la incorporación en los demás sistemas para otras unidades por diseñar.
Por último, hacer masiva la recuperación de condesados en la empresa reduciría el
impacto ambiental causado por el vertimiento de aguas a altas temperaturas junto
a riesgos operacionales y el aumento de consumo de agua para suplir demandas
en los procesos.
66
7. REFERENCIAS
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http://www.hms.biz/pumps_catalog/?SECTION_ID=807, Citado el 25 de marzo del
2018
71
ANEXOS
Anexo A: Manual bomba seleccionada
72
73
74
Anexo B: Costo de Tuberia
75
Anexo C: Valvula de compuerta
76