Procesos Petroquímicos 2015

Angelo J. Vargas De la Cruz

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ALQUILACION DE PROPILENO GRADO REFINERIA OFRECE OPORTUNIDADES DE PROCESAMIENTO

06.01.2015 | Migliavacca, J., Wood Group Mustang, Houston, Texas; Glasgow, I., Wood Group Mustang, Houston,

Texas; Davis, E., Wood Group Mustang, Houston, Texas; Palmer, R. E., Wood Group Mustang, Houston,

Texas; Kasliwal, D., Wood Group Mustang, Houston, Texas

El propileno de la corriente de FCC y las unidades de coking pueden ser combinadas con isobutano en una

unidad de alquilación para producir una gasolina de alto valor mezclando alquilatos.

El propileno de grado refinería es producido en las unidades de FCC y coking. El propileno de estas

corrientes puede ser combinado con isobutano en una unidad de alquilación para producir una gasolina de

alto valor mezclando alquilatos. Alternativamente, este material se vende, donde es con frecuencia

fraccionado en una planta usada para producir propileno de alta pureza que es subsecuentemente usado

para producir una variedad de petroquímicos incluyendo polipropileno, cumeno, isopropanol, acrilonitrilo,

oxido de propileno y epiclorhidrina.

Cambiando la carga. Ha habido un significante cambio de nafta a etano como carga en las unidades de

etileno en Norte América, debido a la creciente producción de GNL, que es co-producido con el shale gas y

condensados. Esta carga ha resultado en una reducción en la producción de propileno de las unidades de

etileno. Un número de nuevas unidades de deshidrogenacion de propano han sido construidas o han sido

mejoradas para aliviar la escases de propileno. El aumento del volumen de GNL también ha aumentado el

suministro de isobutano. Este, combinado con un suministro de propileno, demuestra que la alquilación de

propileno puede ser económicamente favorable para las refinerías.

El caso de estudio investiga la factibilidad de modificar una unidad existente de alquilación con ácido

sulfúrico que produce 10MBPD de butileno para procesar propileno de grado refinería o propileno de alta

pureza. El análisis incluye un estimado del costo de capital para la renovación alcanzada y los resultados

económicos basados en el valor del propileno como alimentación para alquilación comparado con el de

grado refinería o grado polímero.

ALQUILACION EN LA REFINERIA

Las olefinas de refinería que pueden ser usadas como carga a una unidad de alquilación consiste en una

mezcla de propano/propileno (PP), butano/butileno (BB) o amilenos, los cuales son una mixtura de C5

saturados y olefinas. Muchas unidades de alquilación con ácido sulfúrico usan la tecnología probada, como

se muestra en la figura 1. La carga olefinica y la mezcla de isobutanos son combinadas con isobutano

reciclado de la sección de destilación y refrigeración, enfriado por un intercambiador de calor con una red

de efluentes de la trampa de succión, y alimentado hacia el lado del casco que pertenecen a los reactores

patentados, donde las olefinas y los isobutanos reaccionan para formar alquilatos, los cuales son una mezcla

de parafinas de alta ramificación. En el reactor patentado, la carga y el largo exceso de isobutano son

intensivamente mezclados con ácido sulfúrico por un impulsor de alto cizallamiento que dispersa los

hidrocarburos y el ácido en una emulsión que circula a una alta tasa sobre el haz de tubos. Los contenidos

del reactor patentado son mantenidos en fase liquida para maximizar la disponibilidad del hidrocarburo para

la reacción. Los hidrocarburos, consistiendo ahora de isobutano y alquilatos con n-butano y una pequeña

cantidad de propano de la carga, son separados del ácido en un recolector de ácido localizado encima de las

columnas de extracción. El ácido es retornado hacia las columnas de extracción por gravedad.

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Figura 1. Caso Base de alquilación de butano y butilenos de grado refinería.

El hidrocarburo efluente de los recolectores de ácido es parcialmente vaporizado a baja presión por el lado

de los tubos en el reactor patentado. Este provee refrigeración para remover el calor exotérmico de la

reacción y mantener la temperatura del reactor dentro del rango óptimo. La fase vapor y liquida en el

efluente son separadas en un tanque largo horizontal llamado la trampa de succión. El vapor es luego

comprimido y condensado en la sección de refrigeración. El refrigerante condensado, constituido

principalmente de isobutano, es flasheado a baja presión en el drum (usualmente combinado con la trampa

de succión) de las cuales el líquido frio es reciclado por las columnas de extracción. El vapor del drum es

combinado con el vapor de la trampa de succión como succión para el compresor de refrigeración.

El propano presente en las cargas es removido del lazo de refrigeración por un reflujo de alimentación del

refrigerante condensado a un sistema de despropanización. El efluente del reactor de la trampa de succión,

conteniendo el producto alquilato, es tratado para remover las pequeñas cantidades de ácido restantes,

alquilsulfatos y dialquilsulfatos, los cuales son subproductos de reacción en la sección de tratamiento de

efluentes.

La sección de destilación recupera el isobutano reciclado y separado del efluente restante del reactor en los

productos n-butano y alquilato. En algunas unidades, el n-butano es recuperado como una extracción

lateral de la desbutanizadora (DIB). Alternativamente, una columna desbutanizadora separada, el cual

provee un mejor control sobre la pureza del n-butano y Rvp del alquilato, puede ser usado. En este artículo,

una columna desbutanizadora separada es utilizada.

CASO DE ESTUDIO

Un diseño de caso base incluye un diagrama de flujo del proceso preliminar (Fig. 1), el balance de materia y

energía y la lista de los tamaños de los equipos fueron desarrollados para una hipotética unidad de

alquilación con ácido sulfúrico el cual produce 10MBPD de alquilato de una carga de FCC BB. El incremento

del suministro de isobutano además del contenido en el BB es de la planta de los butanos del gas saturado

de la refinería y del isobutano de alta pureza comprado. La Tabla 1 resume otros parámetros de caso base.

La composición de la corriente de butileno de la refinería se muestra a continuación:

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Componentes %Vol

C3/C3= 0.9

C4= 51.1

iC4 34.0

nC4 12.1

C5/C5= 1.9

El compresor refrigerante es un compresor centrífugo manejado a motor, el cual opera a velocidad

constante usando un estrangulamiento para el control en la succión. El vapor refrigerante comprimido es

condensado en un simple paso (condensador total). Un economizador es usado para reducir el tamaño del

compresor y el consumo de energía por flasheo del líquido refrigerante reciclado a una presión intermedia.

La sección de destilación consiste de un reboiler DIB con vapor de 50 psig y un reboiler aparte de isobutano

con vapor de 150 psig. Ambos usan condensadores de enfriadores por aire. Una columna de

despropanización es usado para remover el propano del lazo de refrigeración. El refrigerante y el

condensador del despropanizador son enfriados por agua. El reboiler del despropanizador es calentado con

vapor de 50 psig. La carga de los dos casos mejorados ambos propileno de grado refinería o propileno

comprado de grado polímero, fueron considerados. La Tabla 2 resume las razones de la carga de olefina

para el caso base y los dos casos estudiados.

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ASUNSIONES DEL ESTUDIO

Para el estudio, se asume que el máximo volumen de carga de propileno para cada caso es limitado por

estas restricciones:

Una máxima temperatura de operación del reactor de 60°F cuando se modifica por la adición de

inserción de tubos.

La capacidad de la carcasa y el rotor del compresor refrigerante existente. La presión de succión del

compresor se incrementa consistentemente con un contacto límite de temperatura asumida de

60°F.

Para minimizar el consumo de ácido, las cargas de propileno y butileno serán segregadas. El flujo de

propileno para un reactor patentado, y el butileno es igualmente dividido entre los otros reactores

patentados.

La segregación permite reaccionar a cada tipo de olefina en condiciones favorables. Los reactores

fueron operados a las mismas temperaturas, pero pueden ser optimizados para una actual

modernización.

Los flujos de ácidos en serie con los reactores patentados, comienzan con el propileno del reactor

patentado.

Un alcance modificado no es requerido para lavar los sistemas.

CASO 1: PROPILENO DE GRADO REFINERIA

Sobre la base de restricciones enumeradas (reactores y compresores refrigerantes), es factible adherir

alrededor de 1.5MBPD de propileno de grado refinería en la línea de mezcla de alimentación. La

composición de la alimentación de propileno de grado refinería es:

Componentes %Vol

Etano 0.5

Propileno 70.7

Propano 28.4

i-Butano 0.4

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Fig. 2 Caso 1: Una refinería de PP adicional de 1.5MBPD

SISTEMA DE ALIMENTACION DEL CASO 1

En este ejemplo, el almacenamiento existente está disponible para el propileno de grado refinería. Como un

enfoque conservador para el cálculo del coste, una nueva bomba de alimentación, una válvula de control de

flujo y líneas offsites son incluidas en la línea de carga de alimentación de la unidad de alquilación. Este

puede ser posible para una carga de una refinería PP directamente del upstream de una planta

despropanizadora de gas, usando la bomba existente y una nueva línea para la unidad de alquilación.

Nuevos intercambiadores de calor compactos de alta eficiencia son adheridos para maximizar la carga de

BB/PP enfriados vía intercambiadores con el efluente del contactor.

REACTORES Y COMPRESORES DE REFRIGERACION DEL CASO 1

El propileno de grado refinería contiene 1.06MBPD de propileno que reacciona con 1.35MBPD de isobutano

para producir un incremento de 1.89MBPD de alquilato. El calor exotérmico de la reacción para el propileno

puede ser transferida a los refrigerantes en el reactor, así se incrementaría el flujo másico del vapor para el

compresor de refrigeración. El flujo másico de vapor hacia la succión del compresor se incrementa en un

estimado de 262Mlb/hr en el caso base a 304 Mbl/hr. Los reactores pueden ser mejorados adhiriendo tubos

insertados para mejorar la transferencia de calor. Con esto se espera incrementar el coeficiente total de

transferencia de calor, U, de 40 Btu/hr-°F-hr a 50+ Btu/hr-°F-hr. Sobre esta base, la temperatura del reactor

se estima que incremente de 49°F a 58°F, y la presión y temperatura del refrigerante del reactor del lado de

los tubos del reactor se incremente manteniendo el volumen actual del vapor producido dentro de la

capacidad del compresor existente. La presión de la succión del compresor se incrementa en el caso base de

15.1 psia a 17.5 psia.

El compresor refrigerante no requerirá modificarse si el flujo volumétrico actual no se cambia. Debido al alto

flujo másico de entrada, el controlador incrementa su hp en 10%, así un nuevo motor se requerirá en la

modernización. La bomba de reciclo de refrigeración se sustituye para manejar el aumento del volumen de

refrigerante.

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CONDENSADOR REFRIGERANTE DEL CASO 1

El incremento del flujo másico del vapor refrigerante debe ser condensado a la presión de descarga del

condensador de 88psig. El condensador total existente no puede condensar completamente el vapor, por

eso será usado como un condensador parcial proveyendo aproximadamente 88% del total del duty, con un

condensador total nuevo proporcionando 20% del vapor restante. Adicionando una segunda etapa de

condensación no solo se adhiere más capacidad de condensación, sino que también produce una carga para

el depropanizador con una mayor concentración de propano, el cual reduce el costo capital y el consumo de

utility del nuevo sistema de despropanización. Adicionalmente, el refrigerante existente (aguas abajo del

existente acumulador de refrigerante) será reemplazado para acomodar el alto duty asociado con los

líquidos condensados debido a la alta temperatura.

SISTEMA DEL DESPROPANIZADOR DEL CASO 1

La alimentación del caso base y el butano importado contienen un total de 165BPD de propano, el cual es

separado del refrigerante por un pequeño despropanizador. La carga al despropanizador es 10% del total del

refrigerante condensado. La alimentación adicional de 1.5MBPD de propileno grado refinería contendría

426BPD de propano, el cual excedería la capacidad del despropanizador existente, por eso un nuevo sistema

de despropanización se requeriría. El nuevo sistema consistiría de:

Despropanizador

Drum de alimentación

Bomba de alimentación

Lavado caustico de la alimentación

Coalescedor de la alimentación

Acumulador de cabeza

Bombas de cabeza y reflujo

Intercambiadores en la alimentación y los fondos

Reboiler

Enfriadores de fondo

La purga de propano puede recircularse de nuevo a la planta de gas de la FCC si hay una adecuada

capacidad.

DESISOBUTANIZADOR/DESBUTANIZADOR DEL CASO 1

La DIB funcionara adecuadamente sin modificaciones. La razón y concentración de isobutano reciclado será

similar al caso base. La razón de volumen de isobutano para olefinas se reducirá de 7.78 a 7.25. Esta

reducción de la razón se contabiliza prediciendo las propiedades del alquilato resultante. El desbutanizador

se adecuara para incrementar las razones, siempre y cuando las especificaciones de rendimiento lo

permitan. Esta estimado que el PVR del alquilato se incrementara de 3.7psia a 3.9psia, y el la pureza del n-

butano se reducirá de 90% a 88%.

Para tener en cuenta el mayor caudal de alquilato, y como un enfoque conservador en la estimación de

costos, el alquilato resultante, el condensador por agua es reemplazado para mejorar un duty adicional. En

muchos escenarios de modernización, un operador puede ser hábil para mejorar la temperatura resultante.

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RESULTADOS DEL CASO 2 – PROPILENO GRADO POLIMERO

Basado en las restricciones del contactor/compresor señalados anteriormente, es factible añadir 1MBPD de

propileno grado polímero a la mezcla de la alimentación. La composición de la carga de propileno es

asumida como:

Componente %Vol

Etano 0.05

Propileno 99.7

Propano 0.2

i-butano 0.05

Fig 3. Caso 2: 1MBPD de propileno grado polímero adicional.

SISTEMA DE ALIMENTACION DEL CASO 2

El propileno grado polímero comprado puede ser segregado de la refinería PP existente en cuatro nuevos

tanques con cinco días de almacenamiento suficiente. Una nueva bomba en la alimentación, una válvula de

control de flujo y líneas offsites son incluidas en el cálculo de costo para la alimentación de la carga de la

unidad de alquilación. Nuevos intercambiadores de calor compacto son adheridos para maximizar la

alimentación fría de propileno grado polímero/BB con el efluente del contactor.

REACTORES Y COMPRESORES DE REFRIGERACION DEL CASO 2

El propileno de grado polímero contiene 997BPD de propileno que reacciona con 1.27MBPD de isobutano

para producir un incremento de 1.77MBPD de alquilato. El calor exotérmico de la reacción para el propileno

es removido por el refrigerante, aumentando así el flujo de masa de vapor para el compresor de

refrigeración. Se estima que el flujo de masa de vapor en la succión del compresor se incremente de

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262Mlb/hr en el caso base a 300Mlb/hr. Los reactores se mejoraran insertando tubos para mejorar la

transferencia de calor. Con esto se espera que el coeficiente global de transferencia se aumente de

40Btu/lb-°F-hr a más de 50Btu/lb-°F-hr. Sobre esta base, se estima que la temperatura del reactor aumente

de 49°F a 58°F, y la presión y temperatura del refrigerante en el lado de los tubos del reactor se incremente

para mantener el volumen actual de vapor producido dentro de la capacidad del compresor existente. La

presión de succión del compresor aumenta en el caso base del 15.1 psia a 17.1 psia.

El compresor de refrigeración no se modificara ya que el flujo del volumen actual no cambia

significativamente. Se requerirá un nuevo motor para dar un aumento de potencia del 10%. La bomba de

recirculación de la refrigeración se sustituye para manejar el aumento del volumen de refrigerante.

CONDENSADOR REFRIGERANTE DEL CASO 2

El aumento del flujo másico del vapor refrigerante debe ser condensado a la presión de descarga del

compresor de 88psig. El condensador total existente no puede manejar por completo el vapor, por lo que

será usado como un condensador parcial proporcionando alrededor del 80% de duty total, con un nuevo

condensador se proporcionaría el 20% restante. Adicionando una segunda etapa de condensador no solo se

añade capacidad de condensación, sino que también produce una alimentación al despropanizador con

mayor concentración de propano, lo que mejora el rendimiento del sistema de despropanización existente.

Adicionalmente, será reemplazado el enfriador de refrigerante existente para acomodar el alto duty

asociado con el enfriamiento de los líquidos condensados a partir de altas temperaturas.

DESPROPANIZADOR DEL CASO 2

La alimentación del caso base y la corriente de butano importado contiene un total de 165BPD de propano,

que se separa del refrigerante por un pequeño despropanizador. La alimentación al despropanizador en el

caso base es 10% del refrigerante total condensado. El 1MBPD de propileno grado polímero adicional y el

isobutano adicional comprado contendrá 30BPD adicional de propano. El despropanizador existente puede

ser reutilizado siempre y cuando el condensador parcial de descarga del compresor y el condensador total

sean utilizados de manera similar al Caso 1.

DESISOBUTANIZADOR/DESBUTANIZADOR DEL CASO 2

El DIB funcionara adecuadamente sin modificaciones. La razón del reciclado y la concentración de isobuteno

siguen siendo idénticas al caso base. El incremento del volumen se reduce de 7.78 a 7.30. Esta relación de

reducción es contabilizada en la estimación de las propiedades del alquilato resultante.

La desbutanizadora también será adecuada para el aumento de la razón, siempre y cuando las

características de rendimiento sean ligeramente iguales. El PVR del alquilato aumentara de 3.7 psia a 3.9

psia y la pureza del n-butano se reducirá del 90% al 88%. Al igual que en el Caso 1, para dar cuenta del

mayor caudal de alquilato, el enfriador de agua de la salida del alquilato producido se sustituye para

manejar el duty adicional. La tabla 3 muestra una comparación de información del proceso clave para cada

caso.

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Estrategia de renovación de refrigeración alternativa

En ambos caso de mejora, el aumento de carga de refrigeración fue manejado con el compresor existente

con un conductor más grande para acomodar el aumento de flujo de masa del refrigerante. Un enfoque

alternativo, dependiendo de las características específicas de la unidad, puede ser para agregar capacidad

de refrigeración mediante el uso de enfriadores modulares para pre-enfriar las corrientes de alimentación y

economizar la corriente de alimentación.

ANALISIS FINANCIERO

La tasa interna de retorno (TIR) para cada uno de los casos de estudio se calculó basándose en el coste de

instalación total estimado (CE) y el ingreso neto adicional de la producción más el del alquilato y el propano,

menos el de alimentación y los costos adicionales de explotación. Este análisis se basa en varios supuestos.

El valor del producto alquilato recibe el mismo precio basado en el mercado para los casos base y

de estudio, mientras que el octanaje inferior del alquilato del butano, alquilato del butano cumplan

con las especificaciones de octanaje de cotizaciones basadas en el mercado.

El incremento de las utilities están disponibles.

El MCC tiene espacio libre para un motor de compresor de alto HP.

Hay espacio disponible para nuevos equipos, incluyendo los nuevos tanques de propileno para el

Caso 2.

La vida útil del proyecto será de 15 años.

La tasa de impuesto será de 35%.

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Tasa de impuesto sobre bienes inmuebles y seguros de CE del 3%.

Rendimiento del a planta al 97% (parada de cada 40 días cada cuatro años).

Depreciación de 10 años.

El precio del isobutano, de grado refinería y grado polímero, propano y alquilatos están dadas por

las proyecciones del IHS.

El CE estimado es de $30MM para el Caso 1 y $33.4MM para el Caso 2, respectivamente, y los TIRs calculado

son de 19% y 13%. La tabla 4 resume el análisis económico. Varias alternativas de sensibilidad fueron

investigadas.

Precios del alquilato y propileno de grado refinería para el Caso 1 (Fig. 4).

Precios del alquilato y propileno de grado polímero para el Caso 2 (Fig. 5).

CE para el Caso 1 y Caso 2 (Fig. 6).

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Fig. 4. Caso 1: Sensibilidad del TIR para el precio del alquilato y propileno de grado refinería.

Fig. 5. Caso 2: Sensibilidad del TIR para el precio del alquilato y propileno de grado polímero.

Fig. 6. Caso 1 y Caso 2: Sensibilidad del TIR para el costo capital.

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OBSERVACIONES

Este estudio muestra que, para una modesta inversión, la producción de alquilato de una unidad de

alquilación de butileno existente se puede aumentar en 10% con la adición de propileno en la alimentación.

La tasa de retorno calculada, es marginal en base a los precios de la carga y productos usados para el

estudio. Para cualquiera de los casos (alimentación de grado refinería o grado polímero), los cálculos

económicos para los precios de la alimentación y productos son muy sensibles. Si el valor de alquilato se

incrementa en 10%, entonces el TIR se duplica, mientras que el aumento de la misma magnitud en la

alimentación (propileno) reduce el TIR en alrededor de 50%. Para el Caso 1, el TIR disminuye al 14% para un

incremento del 25% en el CE. Para obtener una reducción del 25% en el CE, el TIR mejoraría en un 26%. Para

el Caso 2, el TIR se reduce al 8% para un incremento de 25% en el CE y mejora a 20% para una reducción del

CE al 25%. Para el Caso 2, la cantidad y por lo tanto la inversión de la nueva capacidad de almacenamiento

requerida para el propileno de grado polímero impactaría significativamente en el CE y en los cálculos

económicos.