Analisis-termodinamico-de-las-plantas-parex-e-isomar-del-tren-de-produccion-de-aromaticos

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE 
MÉXICO 
 
 
FACULTAD DE QUÍMICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LAS PLANTAS 
PAREX E ISOMAR DEL TREN DE PRODUCCIÓN 
DE AROMÁTICOS 
 
 
 
TESIS 
 
 
 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 
INGENIERO QUÍMICO 
 
 
 
PRESENTA 
OSCAR MARCIAL GARCÍA 
 
 
 
 
 
MÉXICO, D.F. 
 
 
 
 
2015 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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2 
JURADO ASIGNADO: 
 
PRESIDENTE: ENRIQUE RODOLFO BAZÚA RUEDA 
VOCAL: JOSÉ FERNANDO BARRAGÁN AROCHE 
SECRETARIO: MARTÍN RIVERA TOLEDO 
1ER SUPLENTE: MILTON THADEU GARCÍA MEDEIROS DE 
OLIVEIRA 
2DO SUPLENTE: CAROLINA BERMÚDEZ SALGUERO 
 
SITIO DONDE SE DESARROLLO EL TEMA: 
Conjunto E, Edificio de Ingeniería Química, Área de Cubículos, Cubículo 
3, Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México. 
ASESOR DEL TEMA: 
 
 
____________________________ 
Dr. Enrique Rodolfo Bazúa Rueda 
SUSTENTANTE: 
 
 
___________________________ 
I.Q. Oscar Marcial García 
 
3 
RESUMEN 
El siguiente proyecto de tesis estudia las bases termodinámicas de las plantas Parex e 
Isomar del tren de producción de aromáticos, ubicado en el complejo petroquímico de 
Pemex® Cangrejera, para proponer mejoras en el diseño energético. Las plantas cuentan 
con la tecnología de la empresa UOP Honeywell® proveedor que se especializa en 
petroquímica de aromáticos. Se utiliza el software Aspen Hysys® y Energy Analizer® para 
simular el proceso. 
En cada capítulo se establecen los objetivos específicos del proyecto, partiendo de un 
objetivo general indicado en la introducción. Se realiza una investigación detallada de la 
tecnología y mediante datos reales de planta se transporta el proceso a una simulación. 
La simulación provee los datos necesarios para analizar las variables que controlan el 
proceso y permite diseñar una red de intercambio de calor optimizada. 
Los anexos son una parte fundamental del trabajo, en estos se incluyen los diagramas del 
proceso que constituyen parte de los resultados del proyecto. 
 
ABSTRACT 
The following thesis project studies the thermodynamic basis of the Parex and Isomar 
plants of the BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes), which is located in 
Pemex® Cangrejera Petrochemical Complex, to propose improvements in the energy 
design. These plants have technology of the company UOP Honeywell® which is a supplier 
specialized in aromatics industry. Using the software Aspen Hysys® and Energy Analizer® 
the process is simulated. 
In each chapter the specific objectives of the project are established, on the basis of a 
general objective started in the introduction. Examining the technology and using real plant 
data, the process is transported to a simulation. The simulation provides the data needed 
to analyze the variables that control the process and allows designing an optimized heat 
exchanger network. 
The annexes are a fundamental part of the thesis work, which contain process diagrams 
that are part of the results of the project. 
 
4 
NOTACIÓN GENERAL 
 = entalpía 
 = entropía 
 = energía de Gibbs 
 = temperatura absoluta 
 = presión absoluta 
 = calor transferido del exterior al sistema 
 = trabajo realizado por el exterior sobre el sistema 
 = masa o cantidad de sustancia (moles) totales 
 ̇ = calor por unidad de tiempo 
 ̇ = trabajo por unidad de tiempo 
 ̇ = masa por unidad de tiempo 
 = aceleración de la gravedad 
 = altura con respecto a un plano de referencia 
 = velocidad 
 = número de átomos j en el compuesto i 
 = potencial químico del compuesto i 
 = fugacidad del compuesto i definida por una ecuación de estado 
 = constante de gas ideal 
 = coeficiente de transferencia de calor 
 = costo 
 = coeficiente de transferencia de calor por corriente i 
 = carga térmica por equipo i 
 = servicio auxiliar 
 = unidades de intercambio de calor 
 = indica gas ideal 
 = indica estado de referencia 
 = indica variable a su punto critico 
 = indica variable a su punto reducido 
 
 
5 
ÍNDICE DE TEMAS 
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 1 
1.1 La termodinámica ........................................................................................................ 2 
1.2 Perspectivas energéticas al futuro .............................................................................. 3 
CAPÍTULO 2 ANTECEDENTES ............................................................................................ 5 
2.1 Xilenos ......................................................................................................................... 5 
2.2 Tren de Aromáticos ..................................................................................................... 8 
2.3 Planta Parex .............................................................................................................. 14 
2.3.1 Proceso de adsorción-desorción ........................................................................ 17 
2.4 Planta Isomar ............................................................................................................. 27 
2.4.1 Proceso de reacción ........................................................................................... 28 
2.5 Integración de las unidades Parex e Isomar ............................................................. 30 
2.6 Complejo de Aromáticos en PEMEX Cangrejera ..................................................... 31 
CAPÍTULO 3 SIMULACIÓN DE PROCESOS ..................................................................... 33 
3.1 Modelo Termodinámico ............................................................................................. 34 
3.1.1 Componentes en Parex e Isomar ....................................................................... 37 
3.1.2 Componente hipotético (D-1000) ....................................................................... 40 
3.1.3 Peng Robinson .................................................................................................... 41 
3.2 Convergencia del sistema ......................................................................................... 43 
3.3 Simulación de la planta de proceso Parex ................................................................ 45 
3.3.1 Divisor 55-V-1/2 unidad de adsorción-desorción Parex ..................................... 45 
3.3.2 Columnas de destilación en Parex ..................................................................... 47 
3.4 Simulación de la planta de proceso Isomar .............................................................. 50 
3.4.1 Reactor Gibbs ..................................................................................................... 50 
3.4.2 Columna de destilación en Isomar ..................................................................... 53 
3.5 Integración de las simulaciones ................................................................................ 54 
3.5.1 Corriente de corte para la transición de paquetes termodinámicos. ................. 54 
 
6 
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE PROCESO ..............................................................................57 
4.1 Comparación de la simulación con diseño................................................................ 57 
4.1.1 Proceso de comparación ..................................................................................... 58 
4.2 Análisis de variables .................................................................................................. 77 
4.2.1 Alimentación mezcla Maya ................................................................................. 78 
4.2.2 Producción de Orto-xileno .................................................................................. 83 
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS ENERGÉTICO .............................................................................. 89 
5.1 Análisis de Exergía .................................................................................................... 90 
5.2 Análisis Pinch ........................................................................................................... 105 
5.2.1 Diseño de la red de intercambio de calor del proceso Parex-Isomar ............... 109 
5.2.2 Red de intercambio de calor optimizada del proceso Parex-Isomar ................ 124 
5.2.3 Re-simulación del proceso Parex-Isomar optimizado ....................................... 130 
CAPÍTULO 6 ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................................... 133 
CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES ........................................................................................ 136 
REFERENCIAS .................................................................................................................. 137 
ANEXOS ............................................................................................................................. 140 
Anexo A Ecuación de Peng Robinson. ......................................................................... 140 
Anexo B Método de Wegstein. ...................................................................................... 142 
Anexo C Metodología de cálculo en reactor Gibbs. ...................................................... 143 
Anexo D Resumen de ecuaciones del análisis de exergía........................................... 144 
Anexo E Diagrama de flujo de proceso de las plantas Parex-Isomar. .......................... 145 
Anexo F Diagrama de la simulación en Aspen Hysys 8.4 del proceso Parex-Isomar. . 146 
Anexo G Red de intercambio de calor proceso Parex-Isomar. .................................... 147 
Anexo H Red de intercambio de calor optimizada proceso Parex-Isomar. .................. 148 
Anexo I Diagrama de la simulación en Aspen Hysys 8.4 del proceso Parex-Isomar con 
red de intercambio de calor optimizada. ........................................................................ 149 
 
 
7 
ÍNDICE DE FIGURAS 
Figura 1. Estructuras químicas de los xilenos. ...................................................................... 5 
Figura 2. Curvas de presión de vapor de los isómeros de xileno y etilbenceno. .................. 7 
Figura 3. Esquemas de productos derivados de los isómeros de xileno. ............................. 7 
Figura 4. Diagrama de flujo simplificado de una refinería típica. .......................................... 9 
Figura 5. Típica cadena de suministro de un tren de aromáticos. ...................................... 11 
Figura 6. Proceso generalizado de separación ................................................................... 12 
Figura 7. Proceso generalizado de reacción ....................................................................... 13 
Figura 8. Diagrama de flujo de un complejo aromático de UOP ......................................... 15 
Figura 9. Cámaras de adsorción del proceso Parex. .......................................................... 18 
Figura 10. Esquema de intercambio adsorción-desorción fase liquida y fase sólida. ........ 19 
Figura 11. Esquema de zonas de adsorción y desorción. .................................................. 20 
Figura 12. Etapas de operación del proceso de adsorción-desorción en Parex. ............... 22 
Figura 13. Gráfica de concentración de productos contra tiempo de operación en una 
cama de adsorción. .............................................................................................................. 24 
Figura 14. Concentración de xilenos en cada cama a un tiempo determinado .................. 24 
Figura 15. Representación de una unidad de separación en estado estacionario. ............ 25 
Figura 16. Diagrama de proceso de la unidad Parex. ......................................................... 26 
Figura 17. Esquema de proceso unidad Isomar .................................................................. 28 
Figura 18. Esquema triangular de reacción de isomerización de xilenos sin la presencia de 
etilbenceno. .......................................................................................................................... 29 
Figura 19. Diagrama de proceso Parex-Isomar ................................................................... 31 
Figura 20. Diagrama de bloques del tren de producción de aromáticos en el complejo de 
PEMEX Cangrejera. ............................................................................................................. 32 
Figura 21. Lista de modelos de propiedades termodinámicas disponibles en simuladores 
de proceso. ........................................................................................................................... 35 
Figura 22. Primer diagrama de selección de modelo de propiedades termodinámicas. .... 35 
Figura 23. Segundo diagrama de selección de modelo de propiedades termodinámicas. 36 
Figura 24. Gráfica de convergencia por el método de Wegstein. ....................................... 44 
Figura 25. Diagrama de corrientes de entrada y salida en Divisor 55-V-1/2 ...................... 46 
Figura 26. Especificaciones de la columna 55-T-1. ............................................................. 47 
Figura 27. Especificaciones de la columna 55-T-2. ............................................................. 48 
Figura 28. Especificaciones de la columna 55-T-3. ............................................................. 49 
Figura 29. Especificaciones de la columna 55-T-4. ............................................................. 49 
 
8 
Figura 30. Esquema del reactor Gibbs 60-R-1. ................................................................... 51 
Figura 31. Especificaciones de la columna 60-T-1. ............................................................. 53 
Figura 32. Aplicación de una transición de modelo termodinámico a la corriente de 
proceso 435. ......................................................................................................................... 55 
Figura 33. Especificaciones del Stream Cutter para realizar la transición de modelo 
termodinámico. ..................................................................................................................... 56 
Figura 34. Esquema de zonas de error de la simulación en el proceso. ............................ 60 
Figura 35. Zona de condensación en la torre 55-T-1. ......................................................... 61 
Figura 36. Gráfica de diferencia de flujo molar por componente en cada comparación de la 
corriente 428. ........................................................................................................................ 64 
Figura 37. Gráfica de error porcentual con respecto a diseño en cada comparación de la 
corriente 428. ........................................................................................................................ 65 
Figura 38. Zona de reacción del reactor 60-R-1 en el proceso Isomar. ............................. 67 
Figura 39. Corriente 164. Secciones de reacción y separación de la unidad Isomar. ....... 68 
Figura 40. Gráficadiferencias flujo molar por componente comparaciones corriente 164 74 
Figura 41. Gráfica error porcentual con respecto a diseño comparaciones corriente 164 . 74 
Figura 42. Esquema de diferencias en la composición proceso global Parex – Isomar. ... 75 
Figura 43. Esquema de diferencias en productos proceso global Parex – Isomar con una 
alimentación de mezcla Blend. ............................................................................................ 77 
Figura 44. Esquema de diferencias en productos proceso global Parex – Isomar con una 
alimentación de mezcla Maya. ............................................................................................. 80 
Figura 45. Esquema de diferencias en productos proceso global Parex – Isomar adaptado 
a la producción de orto-xileno. ............................................................................................. 87 
Figura 46. Esquema de un sistema abierto. ........................................................................ 90 
Figura 47. Esquema del uso de energía en un sistema y las pérdidas a la atmosfera. ..... 93 
Figura 48. Diagrama de cebolla para diseño de procesos. ............................................... 106 
Figura 49. Gráfica de costo total de la red de intercambio de calor a diferentes valores de 
ΔTmin. ................................................................................................................................... 115 
Figura 50. Curva Compuesta del proceso Parex-Isomar. ................................................. 116 
Figura 51. Curva Compuesta Desplazada del proceso Parex-Isomar. ............................. 117 
Figura 52. Gran Curva Compuesta del proceso Parex-Isomar. ........................................ 118 
Figura 53. Áreas de intercambio debajo (D) y encima (E) del punto Pinch. ..................... 120 
 
9 
ÍNDICE DE TABLAS 
Tabla 1. Presencia de compuestos aromáticos en diferentes muestras de crudo. .............. 6 
Tabla 2. Propiedades físicas de los isómeros de xileno y etilbenceno. ................................ 6 
Tabla 3. Porcentaje de aplicación industrial de los xilenos. ................................................ 16 
Tabla 4. Procesos industriales para la recuperación de para-xileno. ................................. 16 
Tabla 5. Componentes en el proceso Parex ....................................................................... 38 
Tabla 6. Componentes en el proceso Isomar ...................................................................... 39 
Tabla 7. Comparación de propiedades entre D-1000 y 1,4 etilbenceno. ............................ 41 
Tabla 8. Métodos de convergencia disponibles en Aspen Hysys ....................................... 43 
Tabla 9. Especificaciones en Divisor 55-V-1/2. ................................................................... 46 
Tabla 10. Matriz de átomos en el reactor Gibbs 60-R-1...................................................... 52 
Tabla 11. Diferencias en flujos molares de la simulación con diseño. ................................ 59 
Tabla 12. Primera comparación de error en flujos molares y porcentuales por componente 
de la corriente 428. ............................................................................................................... 62 
Tabla 13. Quinta comparación de error en flujos molares y porcentuales por componente 
de la corriente 428 ................................................................................................................ 63 
Tabla 14. Promedios de flujos molares por componente y error porcentual con respecto a 
diseño de las cinco comparaciones en la corriente 428. ..................................................... 63 
Tabla 15. Comparación de error en flujos molares y porcentuales por componente de la 
corriente 435. ........................................................................................................................ 66 
Tabla 16. Primera comparación de error en flujos molares y porcentuales por componente 
de la corriente 164. ............................................................................................................... 69 
Tabla 17. Especificaciones del reactor Gibbs 60-R-1. ........................................................ 71 
Tabla 18. Sexta comparación de error en flujos molares y porcentuales por componente 
de la corriente 164. ............................................................................................................... 72 
Tabla 19. Promedios de flujos molares por componente y error porcentual con respecto a 
diseño de las seis comparaciones en la corriente 164. ....................................................... 73 
Tabla 20. Comparación en la producción de diseño y simulación con alimentación de 
mezcla Blend. ....................................................................................................................... 76 
Tabla 21. Diferencia en la alimentación al proceso mezcla Blend y mezcla Maya en el 
proceso Parex-Isomar. ......................................................................................................... 79 
Tabla 22. Comparación en la producción de diseño y simulación con alimentación de 
mezcla Maya. ........................................................................................................................ 79 
 
10 
Tabla 23. Diferencias porcentuales de los requerimientos energéticos al ingresar una 
mezcla Blend y una mezcla Maya........................................................................................ 82 
Tabla 24. Especificaciones del reactor Gibbs 60-R-1 en producción de orto-xileno. ......... 84 
Tabla 25. Diferencias en la corriente 359 en la producción de para-xileno y orto-xileno. .. 85 
Tabla 26. Comparación producción para-xileno y orto-xileno del complejo Parex-Isomar. 86 
Tabla 27. Diferencias porcentuales requerimientos energéticos producción orto-xileno. .. 88 
Tabla 28. Contribución energética en función del signo. ................................................... 99 
Tabla 29. Temperatura del ambiente y fuentes térmicas. ................................................. 100 
Tabla 30. Análisis de exergía por zonas en el proceso Parex Isomar. ............................. 101 
Tabla 31. Análisis de exergía en la zona de la torre de destilación 55-T-1. ..................... 102 
Tabla 32. Análisis de exergía en la zona de la torre de destilación 55-T-2. ..................... 102 
Tabla 33. Análisis de exergía en la zona de la torre de destilación 55-T-3. ..................... 103 
Tabla 34. Análisis de exergía en la zona de la torre de destilación 55-T-4. ..................... 103 
Tabla 35. Análisis de exergía en la zona de la torre de destilación 60-T-1. ..................... 103 
Tabla 36. Extracción de datos térmicos de las corrientes frías y calientes del proceso 
Parex-Isomar. ..................................................................................................................... 111 
Tabla 37. Extracción de datos térmicos de los segmentos en las corrientes frías y 
calientes del proceso Parex-Isomar. .................................................................................. 112 
Tabla 38. Datos de los servicios auxiliares para el proceso Parex-Isomar. ..................... 113 
Tabla 39. Constantes económicas de equipos de intercambio de calor. .......................... 114 
Tabla 40. Valores objetivo del análisis Pinch del proceso Parex-Isomar. ........................ 121 
Tabla 41. Lista de intercambiadores proceso Parex-Isomar. ............................................ 122 
Tabla 42. Lista de calentadores proceso Parex-Isomar. ................................................... 122 
Tabla 43. Lista de enfriadores proceso Parex-Isomar. ...................................................... 123 
Tabla 44. Costo de red de intercambio de calor del proceso Parex-Isomar. ....................124 
Tabla 45. Diseños redes de intercambio de calor optimizadas proceso Parex-Isomar .... 126 
Tabla 46. Costo red de intercambio de calor optimizada para el proceso Parex-Isomar. 127 
Tabla 47. Comparación en redes de intercambio de calor. ............................................... 128 
Tabla 48. Lista intercambiadores proceso Parex-Isomar con red optimizada. ................. 128 
Tabla 49. Lista calentadores proceso Parex-Isomar con red optimizada. ........................ 129 
Tabla 50. Lista enfriadores proceso Parex-Isomar con red optimizada. ........................... 129 
Tabla 51. Valores de carga térmica de la simulación del proceso Parex-Isomar estándar y 
del proceso optimizado. ..................................................................................................... 131 
Tabla 52. Valores de ahorro energético de la red de intercambio de calor optimizada. .. 132 
 INTRODUCCIÓN 
1 
 
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 
 
El panorama de la petroquímica ha cambiado durante los últimos años, la industria 
del petróleo, a pesar de encontrarse en una desaceleración, sorpresivamente ha 
recobrado la atención mundial. En México, las reformas energéticas, aprobadas en 
2014, han cambiado el panorama de inversión y competencia en materia 
energética. La inclusión de nuevos competidores es un factor que incurre en el 
mejoramiento de la tecnología actual, cambios en las variables macroeconómicas, 
adquisiciones industriales y asociaciones empresariales. 
El siguiente trabajo de tesis aborda los análisis de proceso y eficiencia energética 
de la petroquímica de aromáticos en dos plantas de proceso específicas para la 
recuperación de para-xileno (Parex e Isomar). La información de estas plantas es 
escaza debido a que son muy pocas las compañías que manejan estos procesos, 
sin embargo, para las refinerías actuales construidas alrededor del mundo, son 
imprescindibles las unidades de obtención de para-xileno por su alto valor 
económico. 
El objetivo es, mediante la información de operación de los procesos y sus 
operaciones básicas, entender el funcionamiento de las plantas y llevarlas a un 
entorno computacional de simulación de procesos. A partir de este punto, se 
pretende analizar las variables de proceso y desarrollar mejoras en la eficiencia 
energética del proceso global mediante intercambio energético optimizado. Esto 
logrará disminuir los requerimientos energéticos y disminuir el impacto ambiental 
de estos procesos petroquímicos. Al formular un proceso global, se busca 
aprovechar las cualidades energéticas y la configuración de proceso de cada 
planta para realizar una optimización global del complejo aromático. 
Este proyecto se basa en las leyes de la termodinámica y la información de la 
industria petroquímica actual para resolver estos problemas. 
 
 INTRODUCCIÓN 
2 
 
1.1 La termodinámica 
 
La termodinámica es una ciencia fenomenológica ya que estudia las 
transformaciones que ocurren en sistemas macroscópicos sin adentrarse en 
explicaciones moleculares o microscópicas. Las propiedades de las sustancias 
que se utilizan en la termodinámica se miden experimentalmente, ya sea 
directamente o a través de otras cantidades. Los principios fundamentales de la 
termodinámica son de aplicación general de modo que se pueden estudiar 
sistemas sin conocer la naturaleza molecular de estos, observando solamente las 
propiedades macroscópicas y su variación frente a interacciones con el entorno. 
La termodinámica siendo una ciencia de estudio de los sistemas de equilibrio, no 
proporciona herramientas para el cálculo de la rapidez con la que ocurren los 
procesos, para esto es necesario contar con la información que dan los 
fenómenos de transporte y la cinética química. 
En forma simplificada se puede decir que existen básicamente dos conceptos en 
el costo de un proceso; energía y substancias utilizadas (costos de operación) y 
equipo de proceso (costos fijos). La termodinámica indica que para reducir el 
primer concepto es necesario reducir los gradientes que conducen al proceso. Los 
fenómenos de transporte y la cinética química indican que para reducir el costo de 
equipo de proceso es necesario aumentar los gradientes. Un diseño correcto del 
proceso implica un balance adecuado de ambos factores. Ejemplos de lo anterior 
son: la temperatura de acercamiento en los cambiadores de calor, la relación de 
reflujo en las torres de destilación, la relación de compresión, el diámetro 
económico de una tubería, la caída de presión máxima permisible en cambiadores 
de calor y torres de destilación, etc. 
Existen muchos procesos en donde las condiciones de operación son fijadas con 
criterios exclusivamente termodinámicos, o bien, la termodinámica, junto con la 
cinética química, señala la necesidad de desarrollo tecnológico para hacer factible 
un proceso o para disminuir su costo. 
 INTRODUCCIÓN 
3 
 
1.2 Perspectivas energéticas al futuro 
 
En materia energética, ¿Qué se puede esperar para los próximos 30 años? La 
respuesta a esa pregunta varía según la región y refleja diversas tendencias 
económicas y demográficas, así como también, la evolución de las políticas 
gubernamentales y la tecnología. 
Sin embargo, en todas partes vemos como la energía se usa de manera más 
eficaz y los suministros energéticos continúan diversificándose a medida que 
surgen nuevas tecnologías y fuentes. Para entender la perspectiva energética en 
un futuro del planeta se considera lo siguiente: 
 La demanda mundial de energía será cerca de un 30 por ciento mayor en 
2040 en comparación con 2010, conforme la producción económica crece 
a más del doble y la prosperidad se expande por un mundo cuya población 
alcanza casi los 9 millones de personas. El crecimiento de la demanda de 
energía disminuirá a medida que maduren las economías, se aceleren los 
aumentos en eficiencia y se modere el crecimiento de la población. 
 Entre los países que pertenecen a la Organización para la Cooperación y 
Desarrollo Económicos (OCDE), vemos como el uso de la energía se 
mantiene estable, aun cuando estos países alcanzan crecimientos 
económicos y estándares de vida todavía más altos. En contraste, la 
demanda de energía de países que no pertenecen a la OCDE aumentará 
cerca de un 60 porciento. El aumento en la demanda de energía por parte 
de China se extenderá durante las próximas dos décadas para luego irse 
estabilizando gradualmente a medida que maduren su economía y 
población. En otras partes del mundo, miles de millones de personas 
trabajaran para mejorar sus estándares de vida, para lo cual requerirán de 
más energía. 
 La necesidad de energía para generar electricidad seguirá siendo el 
principal motor de la demanda. Hacía 2040, la generación de electricidad 
corresponderá a más del 40 por ciento del consumo de energía mundial. 
 INTRODUCCIÓN 
4 
 
 El petróleo, el gas y el carbón seguirán siendo los combustibles más 
usados y tendrán el volumen necesario para cumplir con la demanda 
mundial, al constituir cerca del 80 por ciento del consumo total de energía 
en 2040 (British Petroleum, June 2013). 
 El gas natural crecerá lo suficientemente rápido como para superar al 
carbón y apoderarse de la segunda posición detrás del petróleo. La 
demanda de gas natural aumentara más del 60 por ciento al 2040. Tanto 
en el caso del petróleo como en el gas natural, una parte cada vez mayor 
del suministro mundial provendrá de fuentes no convencionales. 
 El aumento en la eficiencia a través de prácticas y tecnologías de ahorro 
de energía (como vehículos híbridos y nuevas plantas de energía de alta 
eficiencia) atenuarán el crecimiento de la demanda y reducirán las 
emisiones de gases contaminantes. 
 Las emisiones de dióxido de carbono relacionadas con la energía mundial 
crecerán lentamente, para luego estabilizarse alrededor de 2030. En 
Estados Unidos y Europa, donde yase esta dando un cambio del carbón a 
combustibles con menor contenido de carbono como el gas natural, las 
emisiones disminuirán gradualmente. 
Estas perspectivas permiten guiar decisiones de inversión mundial en el 
entorno energético para las empresas (ExxonMobil Corporation, 2013). Para 
generar menores emisiones y mayores rendimientos, la industria petroquímica 
en México debe considerar la mejora continua de la tecnología actual y el 
diseño de procesos más eficientes, siendo la eficiencia energética un 
excelente punto de partida. 
 ANTECEDENTES 
5 
 
CAPÍTULO 2 ANTECEDENTES 
 
Los compuestos aromáticos (benceno, tolueno, etilbenceno y xilenos) son un 
eslabón importante en la fabricación de diversos productos petroquímicos. Los 
procesos químicos asociados a su producción son complejos y se encuentran en 
actualización continua. En este capítulo se estudia la información principal de los 
compuestos aromáticos y su interacción química en el proceso petroquímico 
industrial conocido como complejo aromático. Se analiza la estructura y 
funcionamiento de las plantas acopladas al tren de aromáticos, así mismo, se 
ilustran los procesos de adsorción, desorción y reacción de los procesos Parex e 
Isomar. 
2.1 Xilenos 
 
Los compuestos químicos de fórmula C8H10 son generalmente conocidos como 
mezcla de xilenos. La composición esta mezcla consiste en tres isómeros de di-
metilbenceno y etilbenceno. Estos isómeros poseen un punto de ebullición entre 
135 – 145 °C (Ullmann's, 2005). El la figura 1 se pueden observar las estructuras 
químicas de los isómeros presentes en la mezcla de xilenos. 
 
Figura 1. Estructuras químicas de los xilenos (Ullmann's, 2005). 
Prácticamente, el único recurso natural de la mezcla de xilenos es el petróleo. La 
concentración de xilenos varia considerablemente dependiendo de la localización 
y edad geológica del crudo. La tabla 1 muestra una comparación de los 
compuestos aromáticos presentes en varios tipos de crudo. 
 ANTECEDENTES 
6 
 
Tabla 1. Presencia de compuestos aromáticos en diferentes muestras de crudo. 
 
Libya Louisiana West Texas Venezuela Nigerian Iranian 
Aromáticos C8 wt% 0.56 0.5 1.1 1.1 1.47 1.05 
Aromáticos C6-C8 wt% 1.0 1.1 1.79 1.85 2.5 1.8 
 
Las propiedades físico-químicas de los isómeros de xileno y etilbenceno son muy 
similares debido a las estructuras químicas que se observan en la figura 1, donde 
solo cambia la posición estérica de los grupos metilo y etilo. En la tabla 2 se 
muestra la lista de propiedades físicas de estos compuestos aromáticos. 
Tabla 2. Propiedades físicas de los isómeros de xileno y etilbenceno. 
 orto-xileno meta-xileno para-xileno etilbenceno 
Peso molecular 
 
106.16 106.16 106.16 106.16 
Temperatura critica °C 357.1 343.6 342.8 344 
Presión critica bar 35.2 35.47 35.45 37.27 
Compresibilidad critica bar 0.26 0.27 0.25 0.26 
Volumen molar critico L/mol 0.38 0.39 0.37 0.371 
Tensión superficial a 15.6 °C nM/m 30.7 30.12 28.8 29.5 
Viscosidad dinámica a 20°C mPa*s 0.809 0.617 0.644 0.6783 
Densidad a 1 bar y 25°C g/cm3 0.876 0.8599 0.8567 0.8624 
Temperatura de ebullición °C 144.4 139.1 138.4 136.2 
 
Debido a que los puntos de ebullición de estos componentes son muy cercanos, 
realizar una operación de separación de componentes es una actividad compleja 
que implica diseños, costos operativos e inversiones grandes. En la figura 2 se 
pueden observar las curvas de presión de vapor de estos isómeros de xileno y 
etilbenceno. Con esta gráfica se puede identificar la complejidad de realizar 
operaciones de separación con mezclas de xilenos. 
La importancia de los xilenos radica en la amplia variedad de productos que 
pueden ser obtenidos a partir de su transformación química. En la figura 3 se 
muestra un diagrama de cada isómero de la mezcla de xilenos y los productos que 
se obtienen al reaccionar químicamente. 
 ANTECEDENTES 
7 
 
 
Figura 2. Curvas de presión de vapor de los isómeros de xileno y etilbenceno (Ullmann's, 2005). 
 
Figura 3. Esquemas de productos derivados de los isómeros de xileno. 
 ANTECEDENTES 
8 
 
2.2 Tren de Aromáticos 
 
El tren de aromáticos o complejo aromático es una combinación de unidades de 
proceso que son empleadas para realizar la conversión de nafta de petróleo y 
gasolina de pirolisis en intermediarios petroquímicos básicos; benceno, tolueno y 
xilenos. El benceno es un compuesto petroquímico muy versátil usado en la 
producción de más de 250 productos. Etilbenceno, cumeno y ciclohexano son los 
derivados más importantes del benceno. El tolueno es usado como solvente en 
una escala menor. La producción de tolueno se encuentra incrementando 
continuamente para la realizar la transformación de tolueno a xilenos mediante 
procesos químicos de desprotonación y transalquilación de compuestos 
aromáticos C9 (Treccani, 2008). 
La mezcla de xilenos que contiene los cuatro diferentes isómeros; para-xileno, 
orto-xileno, meta-xileno y etilbenceno, es usada en diversas aplicaciones como 
solvente, no obstante, la mayor parte es procesada con el fin de obtener un 
isómero individual. El para-xileno es el isómero más importante en la industria de 
los compuestos aromáticos. Es usado para la producción de productos de alto 
valor agregado como; fibras de poliéster, resinas y películas. En los años 
recientes, las fibras de poliéster han tenido un crecimiento a tasas de 6% al año y 
las resinas han crecido a tasas de 10% a 15% al año, correspondiente a la 
demanda de contenedores de PET (tereftalato de polietileno) (Wantanachaisaeng 
& Kevin, 2007). 
Los complejos aromáticos pueden ser configurados con base en la estructura de 
sus procesos independientes y estar orientados a las necesidades de sus 
productos finales. Un complejo simple es un proceso que produce únicamente 
benceno, tolueno y mezcla de xilenos como productos finales. Estos complejos 
simples se configuran a partir de procesos de hidrotratamiento de nafta para 
remover contenientes de azufre y nitrógeno, reformadores catalíticos de 
producción de aromáticos con nafta y unidades de extracción de aromáticos. 
 ANTECEDENTES 
9 
 
Las configuraciones más modernas de complejos aromáticos son diseñadas para 
maximizar la producción de para-xileno y benceno. Sus estructuras se componen 
de unidades de proceso simples de separación y reacción. Así mismo, estas 
incluyen procesos adicionales como unidades de extracción y separación de un 
xileno específico de los otros isómeros de xileno, siendo para-xileno el más 
común. Los procesos incluidos en los trenes de aromáticos modernos se 
componen de unidades de isomerización para la producción en equilibrio de 
xilenos específicos, procesos de transalquilación de tolueno y producción de 
compuestos C9 para producción de xilenos y benceno (Kuo & Chang, 2008). 
Los complejos aromáticos pueden ser configurados de diferentes maneras, estas 
configuraciones dependen de la disponibilidad de insumos, los productos 
deseados y la inversión de capital disponible. Debido a esta amplia flexibilidad, el 
proceso requerido puede ser adecuado a las necesidades del mercado. 
 
Figura 4. Diagrama de flujo simplificado de una refinería típica. 
 ANTECEDENTES 
10 
 
Los esquemas productivos de benceno, tolueno y xilenos pueden ser 
considerados un elemento esencial e independiente de la cadena de producción 
petroquímica derivada del crudo. En la figura 4 se puede observar la presencia de 
los compuestos aromáticos en el diagrama de flujo simplificado de una refinería 
típica. La nafta ligera puede ser consumida por el complejo aromático y los 
productos finales de esta cadena pueden ser vendidos en mercados domésticos e 
internacionales para obtener ingresos considerables. 
El complejo aromático se compone de diversas plantas de proceso que 
interactúan entre sí. Las plantas típicas en un complejo aromático son; la unidad 
de extracciónde aromáticos, la fraccionadora de xilenos, la planta Parex, la planta 
Isomar, la planta Tatoray y la planta Sulfonade (Kuo & Chang, 2008). A 
continuación se presenta una descripción básica de cada proceso. 
 La unidad de extracción de aromáticos tiene como objetivo realizar la 
separación de una mezcla que contiene los compuestos aromáticos 
benceno, tolueno, C9 y C10 de una mezcla de nafta ligera, mediante una 
operación de extracción líquido-líquido. Después de la extracción, el 
refinado consistente en productos no aromáticos es mezclado con 
productos de la gasolina. La mezcla extraída, con aromáticos presentes en 
su composición, es enviada a una fraccionadora de xilenos. 
 La fraccionadora de xilenos se encarga de separar la mezcla con los 
compuestos aromáticos benceno y tolueno de los compuestos C9 y C10. 
Mediante destilación los compuestos C9 y C10 son obtenidos. 
Posteriormente, estos compuestos son utilizados como un ingrediente del 
proceso de producción de gasolina. 
 La planta Parex se enfoca en separar el para-xileno de forma individual de 
la mezcla de aromáticos obtenida en la fraccionadora de xilenos. Debido a 
la proximidad de los puntos de burbuja entre meta-xileno y para-xileno la 
separación por destilación no es eficiente, por lo tanto, los procesos de 
adsorción selectiva ofrecen un método se separación más eficaz. 
 ANTECEDENTES 
11 
 
 La planta Isomar tiene como propósito enriquecer la concentración de la 
corriente obtenida en la unidad Parex de la mezcla de aromáticos sin para-
xileno a un isómero específico, dependiendo de las necesidades del 
mercado para-xileno u orto-xileno son las opciones más comunes. 
 La planta Tatoray procura convertir la máxima cantidad de tolueno y C9 en 
benceno. Este proceso se diseña de acuerdo con la demanda del mercado 
de venta de benceno. 
La localización de cada unidad de proceso en el tren de aromáticos se diseña con 
base en la estructura del proceso y la cadena de suministro. Para propósitos de 
ilustración, una típica cadena de suministro de un tren de aromáticos es 
presentada en la figura 5. La cadena de suministro de este proceso se define por 
operaciones de almacenamiento, unidades de conversión catalítica y unidades de 
separación de componentes. 
 
Figura 5. Típica cadena de suministro de un tren de aromáticos (Kuo & Chang, 2008). 
 ANTECEDENTES 
12 
 
Las principales unidades de operación correspondientes al tren de aromáticos se 
pueden simplificar en dos tipos de proceso generales; procesos de separación y 
procesos de reacción. La simplificación de estos procesos permite entender el 
funcionamiento de un complejo aromático y los mecanismos de producción 
básicos en cada una de sus plantas de proceso. 
Los procesos de separación se basan en la separación de componentes de una 
mezcla determinada y tienen como objetivo obtener componentes o mezclas 
individuales como se muestra en la figura 6. Los mecanismos de separación más 
usuales se realizan mediante destilación, cristalización o adsorción de 
componentes. Las unidades de extracción de aromáticos, fraccionadoras de 
xilenos y Parex, mencionadas anteriormente, son ejemplos de procesos de 
separación. 
 
Figura 6. Proceso generalizado de separación. 
Los procesos de reacción se componen de una reacción catalítica y 
posteriormente un sistema de separación para la recuperación de los 
componentes individuales. Después de la reacción, los reactivos pueden ser 
 ANTECEDENTES 
13 
 
recirculados completamente para aumentar la producción del proceso. El 
diagrama de un esquema típico de reacción y destilación se muestra en la figura 7. 
La unidades de proceso Isomar y Tatoray son ejemplos de procesos de reacción 
en el tren de aromáticos. 
 
Figura 7. Proceso generalizado de reacción. 
En la industria existen diferentes compañías que se especializan en construir 
trenes de aromáticos de complejos petroquímicos. El tren de aromáticos que se 
analiza en este proyecto esta fundamentado en la tecnología de UOP Honeywell®. 
UOP es el principal emisor de licencia a nivel mundial de tecnología de procesos 
para la producción de compuestos aromáticos. A partir de 2014, UOP autorizó 
más de 100 complejos y más de 700 unidades de proceso individuales para la 
producción de compuestos aromáticos, incluyendo más de 300 unidades de 
proceso CCR Platforming™, 155 unidades de proceso Sulfonade™, 80 unidades 
de proceso Isomar™, 65 unidades de proceso Tatoray™ y 100 unidades de 
proceso Parex™ (Qu, 2014). Un complejo aromático con la tecnología de UOP 
Honeywell® posee numerosas unidades de separación y reacción, así mismo, sus 
procesos se encuentran interconectados entre sí. 
 ANTECEDENTES 
14 
 
2.3 Planta Parex 
 
Los xilenos presentes en la mezcla poseen puntos de ebullición muy similares, por 
lo tanto, realizar una separación convencional de destilación no resulta práctico ni 
eficiente. La unidad Parex es un proceso innovador de separación de 
componentes que recupera para-xileno u orto-xileno de la mezcla de xilenos. Este 
proceso provee una manera eficiente de recuperación de para-xileno usando un 
adsorbente sólido de zeolita que es selectivo a para-xileno. Con este proceso se 
obtiene alta pureza y alta recuperación de para-xileno. 
A diferencia del proceso convencional de cromatografía por batch, utilizando 
resinas y realizando la separación por sedimentación, el proceso Parex simula una 
cama de adsorción en movimiento que proporciona flujo continuo de la 
alimentación sobre el adsorbente. La alimentación y los productos entran y dejan 
la cama de adsorbente continuamente en composiciones constantes. Esta técnica 
de separación se conoce como separación por lecho fluidizado (SMB) (Minceva, 
Gomes, Meshko, & Rodrigues, 2008). 
En un complejo aromático, la unidad Parex se localiza en los fondos de la columna 
de separación de xilenos y es integrada con una unidad Isomar. La alimentación 
en la fraccionadora de xilenos consiste en una mezcla de aromáticos C8 producto 
de la unidad CCR-HDS Platforming y de los xilenos producidos en la unidad 
Tatoray. 
Los componentes ligeros de la fraccionadora de xilenos son la alimentación del 
proceso Parex, donde el para-xileno es recuperado con un alto grado de pureza. 
Los xilenos restantes de la unidad Parex son enviados a la unidad Isomar donde 
son convertidos en para-xileno adicional y, posteriormente, son recirculados a la 
columna fraccionadora de xilenos. En la figura 8 se puede observar la 
interconexión de estos procesos en el tren de aromáticos. 
 ANTECEDENTES 
15 
 
 
Figura 8. Diagrama de flujo de un complejo aromático de UOP. 
El para-xileno con alta pureza recuperado en el proceso Parex es usado para la 
producción de fibras de poliéster, resinas y películas. Este producto es convertido 
a ácido tereftálico (TPA) o dimetil tereftalato (DMT), estos intermediarios 
reaccionan con etilenglicol para formar tereftalato de polietileno (PET) que es el 
material base de muchos poliésteres. Por otra parte, la demanda de orto-xileno 
surge si hay una necesidad de producir anhídrido ftálico para la producción de 
plastificantes. El para-xileno y el estireno son dos de los productos más valiosos 
obtenidos a partir del petróleo crudo. El producto derivado de la planta Parex tiene 
casi el doble del valor de mercado que la alimentación que entra en la refinería o 
planta petroquímica. El mercado de meta-xileno para la producción de ácido 
isoftálico es mucho menor que el mercado de para-xileno u orto-xileno (Minceva & 
Rodrigues, 2004). 
 ANTECEDENTES 
16 
 
En la tabla 3 se representan por porcentajes las aplicaciones de los productos de 
xileno. En esta tabla se puede observar que el para-xileno tiene el mayor 
porcentaje de aplicaciones industriales. Por otro lado, las aplicaciones que se 
derivan de la utilización de meta-xileno tienen el porcentaje más bajo.Tabla 3. Porcentaje de aplicación industrial de los xilenos. 
Alimentación Aplicación industrial Porcentaje 
Mezcla de xilenos Uso de solvente 5.2 
Mezcla de xilenos 
Combustible para aviación y 
gasolina 
39.3 
para-xileno 
Dimetil tereftalato (DMT) y ácido 
tereftálico (TPA) 
45.8 
orto-xileno Anhídrido Ftálico 7.7 
meta-xileno Ácido Isoftálico 2 
 
Existen tres procesos industriales para realizar la separación de para-xileno, los 
cuales, operan bajo el principio SMB; UOP Parex, Toray Aromax e IFP Eluxyl 
(Sutanto, 2012). En la tabla 4 se puede observar el año de comercialización, el 
número de unidades en operación y la capacidad de cada planta. Actualmente, la 
tecnología Parex es la que posee el mayor número de plantas en funcionamiento. 
Tabla 4. Procesos industriales para la recuperación de para-xileno. 
Proceso 
Industrial 
Año de 
comercialización 
Número de 
unidades 
Capacidad de 
para-xileno en 
MTA 
UOP Parex 1971 71 24,000 a 1,200,00 
IFP Eluxyl 1995 7 
180,000 a 
500,000 
Toray Aromax 1973 2 200,000 
 
 ANTECEDENTES 
17 
 
2.3.1 Proceso de adsorción-desorción 
La unidad Parex se basa en separar el para-xileno de los demás productos, para 
realizarlo utiliza los principios de adsorción y desorción de componentes. La 
separación de los componentes se lleva a cabo en camas de adsorbente y se 
realiza por la tecnología de SMB. El proceso de adsorción-desorción de la unidad 
Parex tiene un esquema de funcionamiento complejo. Esta complejidad se debe a 
la interacción simultánea de un alto número de corrientes de proceso, asociadas a 
la separación, en una válvula rotatoria. 
Para entender el funcionamiento de este proceso se debe realizar una 
representación detallada del sistema de adsorción-desorción con diagramas, 
esquemas y descripciones de proceso. 
Primeramente, el para-xileno debe ser adsorbido en una zeolita sólida y 
posteriormente ser desorbido de la zeolita con una sustancia liquida. Esta zeolita 
sólida tiene preferencia para adsorber al para-xileno sobre el etilbenceno y los 
otros xilenos. El adsorbente es dividido en un número definido de camas y cada 
cama de adsorbente es soportada por parrillas internas. Estas parrillas internas 
son diseñadas para una alta eficiencia de la distribución del flujo. Cada parrilla 
interna es conectada a la válvula rotatoria mediante una línea de flujo. Las parrillas 
internas que están ubicadas entre cada cama de adsorbente son usadas para 
introducir o retirar líquido de las camas de adsorbente mientras, simultáneamente, 
se recolecta la mezcla líquida redistribuyéndola de la cama anterior a la siguiente 
cama. 
Una unidad típica Parex tiene 24 camas de adsorbente con 26 rejillas internas y 24 
líneas de proceso conectadas a la válvula rotatoria. Para realizar una construcción 
práctica, la mayoría de los procesos Parex consisten en dos cámaras de adsorción 
donde se distribuyen las 24 camas, cada cámara contiene 12 camas 
respectivamente (Silva, Mota, & Rodrigues, 2012). Este mecanismo de separación 
se representa en la figura 9 donde la válvula rotatoria permite intercambiar las 
corrientes a diferentes tiempos determinados. 
 ANTECEDENTES 
18 
 
 
Figura 9. Cámaras de adsorción del proceso Parex. 
De las corrientes totales que interactúan en el proceso de adsorción-desorción, 
hay cuatro corrientes que simplifican la operación de separación llevada a cabo en 
las dos cámaras. Las letras de cada corriente se usan para describir los esquemas 
de este proyecto. 
 Alimentación (F): Compuesta por todos los isómeros del xileno. 
 Refinado (R): Rica en isómeros orto-xileno, meta-xileno y etilbenceno. 
 Desorbente (D): Corriente del desorbente líquido. 
 Extracto (E): Rica en para-xileno. 
 ANTECEDENTES 
19 
 
El diseño del proceso debe considerar que el sólido pasa por etapas sucesivas de 
adsorción-desorción. Para lograr un proceso continuo se requiere, por lo menos 
conceptualmente, de que el adsorbente se mueva como una corriente sólida. La 
manera de simular una corriente sólida es ocupando las 24 camas de adsorbente, 
divididas en las 2 cámaras de adsorción, para representar un sólido en 
movimiento, mediante la implementación de la válvula rotatoria que cambie el flujo 
de las corrientes continuamente. De este modo, la alimentación ingresa en forma 
secuencial a cada una de las camas de adsorbente. Esta descripción se 
representa en el esquema de la figura 10. El resultado es obtener una corriente 
sólida que en la práctica fluye con el líquido para realizar el proceso de adsorción-
desorción. La tecnología que se ocupa en el proceso Parex es una propuesta para 
simular el flujo del adsorbente sólido de manera continua. 
 
Figura 10. Esquema de intercambio adsorción-desorción entre la fase liquida y la fase 
sólida (Minceva, Gomes, Meshko, & Rodrigues, 2008). 
 ANTECEDENTES 
20 
 
La operación de estas cámaras de adsorción es complicada debido a que la 
operación total cambia con el tiempo, no obstante, este proceso se puede analizar 
fácilmente con gráficas de datos y representaciones esquemáticas. Una manera 
de organizar el proceso de adsorción-desorción es agrupando al proceso por 
zonas: 
 ZONA 1: Entrada de desorbente y proceso de desorción de para-xileno. 
 ZONA 2: Salida del extracto. 
 ZONA 3: Entrada de la alimentación y proceso de adsorción de para-xileno. 
 ZONA 4: Salida del refinado. 
 
Figura 11. Esquema de zonas de adsorción y desorción. 
 ANTECEDENTES 
21 
 
Con la caracterización de las zonas se puede esquematizar un diagrama de 
bloques donde se analizan los momentos de cada etapa de adsorción y desorción. 
En la figura 11 se muestra el esquema que contiene cada zona del proceso de 
adsorción-desorción. Este esquema incluye dos componentes: un componente (A) 
que se adsorbe, en este caso es el para-xileno, y un componente (B) que son los 
demás xilenos. Así mismo, en este esquema se muestran las corrientes 
principales del proceso de adsorción-desorción. 
El funcionamiento del proceso es de manera dinámica, ya que a un tiempo 
determinado la válvula rotatoria cambia el flujo de las corrientes. Así mismo, es 
cíclico, debido a que regresa a su estado inicial después de 24 etapas de 
funcionamiento. Por ejemplo, la corriente de alimentación que se introduce en una 
cama de adsorción, después de ser alternada por las 23 camas restantes 
realizando los procesos de adsorción y desorción, llegará a la misma cama de 
adsorción inicial. 
El proceso de adsorción-desorción se lleva a cabo en 24 etapas. En la figura 12 se 
puede observar un diagrama del funcionamiento del sistema de adsorción-
desorción donde se muestran las 24 etapas del proceso y la actividad de la válvula 
rotatoria. En el diagrama se pueden observar las zonas (I, II, III, IV) que se 
encuentran en el interior de las cámaras de adsorción de cada etapa. Cabe 
destacar que en el diagrama solo se representan las concentraciones en estado 
líquido. Estas concentraciones se representan con la presencia y grado de 
saturación de cada color. Un color obscuro representa una alta concentración y un 
color claro representa una baja concentración. El color rojo representa la corriente 
de extracto, la corriente azul a la corriente de refinado, la alimentación se 
representa de color morado y el desorbente de color gris. 
La alimentación y el desorbente se encuentran ingresando a las cámaras en todas 
las etapas. De la misma manera, el extracto y el refinado se encuentran en 
continua extracción en todas las etapas. 
 
 ANTECEDENTES 
22 
 
 
Figura 12. Etapas de operación del proceso de adsorción-desorción en Parex. 
 ANTECEDENTES 
23 
 
En la etapa 1 se ingresa la alimentación. Conforme avanzan las etapas, el para-
xileno y los demás xilenos comienzan a separarse debido a la alta afinidad del 
adsorbente por para-xileno. Además, se forma un gradiente de concentración que 
se crea porla afinidad del adsorbente a para-xileno y se retarda debido a la baja 
afinidad a los demás xilenos que necesitan ser fluidizados a lo largo de las 
cámaras de adsorción. 
En la etapa 13, los demás xilenos son atrapados por la línea de proceso de 
refinado. A partir de este punto, los demás xilenos son retirados por la línea de 
refinado y su concentración comienza a decrecer. 
En la etapa 15, la línea de extracto comienza a atrapar el para-xileno. A partir de 
este punto, el para-xileno será retirado por la línea de extracto y su concentración 
comenzara a decrecer. 
Finalmente en la etapa 24, el para-xileno ha sido satisfactoriamente separado de 
los demás xilenos. En este punto, el para-xileno y los demás xilenos han sido 
retirados de las cámaras de adsorción por las líneas de extracto y refinado, 
respectivamente. 
Para observar una representación más exacta del modelo, se puede recurrir a 
sistemas multimedia. La representación multimedia detallada de este proceso 
puede ser adquirida con el tecnólogo (UOP HoneyWell, 2013). 
Un análisis más detallado, se puede llevar a cabo realizando una grafica donde se 
mide la concentración de los productos en una cama específica, con respecto al 
tiempo de operación en el proceso. En la figura 13 se muestra la gráfica de 
concentración de para-xileno contra el tiempo de operación en la cama numero 1 
del proceso. En esta gráfica se puede observar que la primera etapa de adsorción 
incrementa la concentración de para-xileno en la cama. Posteriormente, la 
concentración de para-xileno disminuye al retirarse con el desorbente en la etapa 
de desorción. Este análisis se lleva a cabo con dos concentraciones en peso de 
para-xileno en la mezcla. Se puede observar que la tendencia del proceso de 
adsorción-desorción es similar con ambos casos (Minceva & Rodrigues, 2004). 
 ANTECEDENTES 
24 
 
 
Figura 13. Gráfica de concentración de productos contra tiempo de operación en una 
cama de adsorción. 
Para proyectar las tendencias de adsorción y desorción de cada componente en la 
operación del proceso, se analiza la concentración de cada componente contra 
cada una de las 24 camas de adsorbente. En la figura 14 se observa una grafica 
con estas tendencias. Esta gráfica muestra los valores del análisis del proceso en 
las 24 camas de adsorción donde se miden las concentraciones de los 
componentes aromáticos a lo largo de cada cama a un tiempo determinado (Silva, 
Mota, & Rodrigues, 2012). 
 
Figura 14. Concentración de xilenos en cada cama a un tiempo determinado. (PX) para-
xileno, (MX) meta-xileno, (OX) orto-xileno y (EB) etilbenceno. 
 ANTECEDENTES 
25 
 
La gráfica de la figura 14 cuenta con varias etapas y estas se representan por la 
caracterización de cada zona. En la entrada de desorbente, la concentración de 
para-xileno aumenta debido a que se desorbe en la zeolita sólida. Con la salida 
del extracto, el para-xileno disminuye su concentración debido a que es retirado de 
la cama. Con la entrada de la alimentación, los demás xilenos se encuentran 
presentes y su concentración es mayor, sin embargo, la concentración de para-
xileno disminuye debido a que esta siendo adsorbido en la zeolita. Finalmente con 
la salida del refinado, la concentración de los demás xilenos disminuye debido a 
que son retirados de la cama de adsorción. Esta tendencia se conserva cuando se 
ingresan diferentes mezclas de xilenos que tienen una diferente composición de 
los isómeros de xileno. 
El proceso de adsorción-desorción de la unidad Parex puede ser simplificado a 
una unidad de separación en estado estacionario mediante una esquematización 
básica. Esto se logra realizando la alimentación y extracción de 4 corrientes de 
proceso. Las corrientes están definidas por las cuatro líneas principales de 
proceso mencionadas anteriormente (Alimentación, Desorbente, Extracto y 
Refinado). Este proceso en estado estacionario se puede observar 
esquemáticamente en la figura 15. 
 
Figura 15. Representación de una unidad de separación en estado estacionario. 
 ANTECEDENTES 
26 
 
En la unidad Parex, el para-xileno se desorbe con un desorbente, que es un 
hidrocarburo de alto peso molecular, lo cual requiere de un paso posterior para 
separar el para-xileno del desorbente y obtener para-xileno con alta pureza. En el 
diagrama de proceso de la figura 16 se puede observar la inclusión de unidades 
de separación para separar el desorbente de para-xileno y finalmente recircularlo 
al proceso de adsorción-desorción. De este proceso se obtienen como producto 
principales para-xileno y tolueno (Ullmann's, 2005). 
 
Figura 16. Diagrama de proceso de la unidad Parex. 
 
 ANTECEDENTES 
27 
 
2.4 Planta Isomar 
 
El proceso Isomar se usa para maximizar la recuperación de un isómero 
específico de la mezcla de xilenos. La unidad Isomar es comúnmente aplicada 
para la recuperación de para-xileno, sin embargo, puede ser utilizada para 
maximizar la recuperación de orto-xileno o meta-xileno, dependiendo de las 
necesidades del mercado y del proceso (Minceva, Gomes, Meshko, & Rodrigues, 
2008). 
En el caso de la recuperación de para-xileno, la alimentación de mezcla de xilenos 
es ingresada a la unidad Parex hasta que el para-xileno es extraído 
preferencialmente. El refinado de la unidad Parex, casi en su totalidad agotado de 
para-xileno, es enviado a la unidad Isomar. 
El refinado, proveniente de los productos de la unidad Parex, es la alimentación 
del proceso Isomar. La unidad Isomar restablece la composición de la mezcla con 
una distribución del equilibrio de los isómeros de xileno. Esencialmente, se crea 
para-xileno adicional a partir de orto-xileno, meta-xileno y etilbenceno. 
Posteriormente, el efluente de la unidad Isomar es reciclado a la fraccionadora de 
xilenos y consecutivamente a la unidad Parex para recuperar el para-xileno 
adicional. Por otro lado, la corriente de ligeros obtenida en Isomar que contiene 
benceno pasa por un Deheptanizador y es enviada a una columna recuperadora 
de benceno (Ullmann's, 2005). 
En la figura 17 se muestra un diagrama de proceso de la unidad Isomar. En 
primera instancia, la alimentación (el refinado) debe ser calentada a más de 
450°C, por lo tanto, un servicio de calentamiento adecuado para esta temperatura 
es un calentador a fuego directo. El reactor realiza la reacción de isomerización. 
Posteriormente, la parte gaseosa es recirculada con un compresor y la parte 
liquida pasa a un proceso de separación de componentes. Por destilación se 
obtienen los tres productos principales; una corriente de xilenos (con para-xileno 
restituido), una corriente de gases de combustión y una corriente rica en tolueno. 
 ANTECEDENTES 
28 
 
 
Figura 17. Esquema de proceso unidad Isomar. a) Calentador a fuego directo b) Reactor 
de isomerización; c) Separador de hidrogeno; d) Compresor de recirculación; 
e) Deheptanizador. 
2.4.1 Proceso de reacción 
El objetivo principal de la unidad Isomar es realizar la reacción de isomerización 
de xilenos. El proceso de reacción para realizar la isomerización se consigue con 
una reacción catalítica. La reacción de isomerización catalítica consume meta-
xileno y etilbenceno de la unidad Parex para formar orto-xileno o para-xileno en la 
unidad Isomar. Dependiendo del catalizador utilizado en el reactor, el etilbenceno 
puede ser convertido a xilenos o benceno. Hay dos amplias categorías de 
catalizadores de isomerización de xileno (Patrick S. Bárcia, Gallegos, Chen, & 
Rodrigues, 2012): 
 Catalizadores de isomerización, que convierten etilbenceno en xilenos 
mixtos adicionales. 
 Catalizadores de alquilación de etilbenceno, que convierten etilbenceno a 
benceno. 
 ANTECEDENTES 
29 
 
La selección del catalizador de isomerización depende de la configuración del 
complejo de compuestos aromáticos y la composición de las materias primas. Elcatalizador de isomerización se elige típicamente cuando el objetivo principal del 
complejo es maximizar la producción de para-xileno. Alternativamente, el 
catalizador de alquilación se puede utilizar para detener el rendimiento de 
obtención de para-xileno en la unidad Parex (Martínez & Corma, 2011). 
El tipo de catalizador utilizado en la isomerización de xileno depende de la 
presencia de etilbenceno en la mezcla de xilenos. Cuando la concentración de 
etilbenceno es alta, se utilizan catalizadores ácidos de metales nobles 
bifuncionales y la reacción de isomerización se lleva a cabo bajo régimen de alta 
presión. 
Los catalizadores ácidos se utilizan para la isomerización de mezclas de xilenos 
libres de etilbenceno, donde el equilibrio solo se realiza entre xilenos (Minceva, 
Gomes, Meshko, & Rodrigues, 2008). En la figura 18 se muestra un esquema de 
reacción de equilibrio entre para-xilenos, meta-xileno y orto-xileno. 
El esquema de reacción de la unidad Isomar real es más complejo y los equilibrios 
consideran una mayor cantidad de compuestos como etilbenceno, hidrógeno, 
metano, etano, propano, n-nonano e isómeros de C10 y C12. Por lo tanto, se 
requiere de un amplio conocimiento de la cinética total o de una estrategia 
novedosa para reproducir una reacción catalítica de esta complejidad. 
 
Figura 18. Esquema triangular de reacción de isomerización de xilenos sin la presencia 
de etilbenceno. 
 ANTECEDENTES 
30 
 
2.5 Integración de las unidades Parex e Isomar 
 
En la industria, es común encontrar acopladas las plantas Parex e Isomar. Esto se 
debe a que son unidades complementarias que maximizan la productividad y 
eficiencia del proceso de recuperación de xilenos. 
Una unidad de Isomar usualmente se combina con una unidad Parex para 
maximizar la recuperación de uno o más de los isómeros de xileno. En la figura 19 
se muestra un diagrama de proceso donde se incluyen las dos unidades 
acopladas. En este proceso se alimenta una corriente a la columna fraccionadora 
de xilenos donde se obtienen los componentes aromáticos ligeros con el fin de 
cumplir las especificaciones de alimentación a la unidad Parex. Posteriormente, la 
reacción catalítica convierte los isómeros de xileno restantes al isómero requerido. 
Finalmente, los productos son recirculados maximizando la producción del 
isómero requerido. 
Sin la presencia de la unidad Isomar en el tren de aromáticos, la recuperación de 
para-xileno disminuye considerablemente. 
Debido a que estas plantas son complementarias se pueden analizar de manera 
conjunta. Sin embargo, el diseño de las plantas y la tecnología de UOP 
Honeywell® de Parex e Isomar son individuales. 
De esta manera, surge una necesidad de mercado donde no existen diseños 
acoplados que contemplen intercambio energético entre ambas plantas de 
proceso. Destacando como el primer proyecto que contempla esta característica. 
Al ser procesos independientes, pero complementarios, diseñar un método de 
intercambio térmico entre estas plantas resulta una tarea atractiva para analizar 
beneficios económicos, energéticos y ecológicos. Esta es una premisa 
fundamental para los objetivos propuestos en este tema de tesis, donde se 
aprovechan las altas temperaturas de operación del proceso Isomar para 
complementar los requerimientos energéticos para realizar la destilación en Parex. 
 ANTECEDENTES 
31 
 
 
Figura 19. Diagrama de proceso Parex-Isomar. 
2.6 Complejo de Aromáticos en PEMEX Cangrejera 
 
El tren de aromáticos de PEMEX ubicado en el complejo petroquímico de 
Cangrejera tiene la capacidad de producir para-xileno y benceno como productos 
principales. Este tren de aromáticos utiliza tecnología de UOP Honeywell® de los 
años 70’s. 
Los últimos proyectos propuestos en 2010 por PEMEX Refinación han 
modernizado la tecnología antigua del complejo en las unidades CCR Platforming, 
Tatoray y Parex para ampliar la capacidad de producción de para-xileno de 
240,000 toneladas anuales a 488.000 toneladas anuales. De la misma manera, se 
ha logrado maximizar la producción de benceno a 187.000 toneladas anuales 
(PEMEX, 2013). Sin embargo, no se han realizado cambios que contemplen 
ahorro energético y normatividad ambiental para mejorar el díselo del tren de 
aromáticos. 
 ANTECEDENTES 
32 
 
Las plantas Parex e Isomar que serán estudiadas en este proyecto de tesis se 
encuentran ubicadas en el tren de aromáticos de Cangrejera. En la figura 20 se 
muestra un diagrama de proceso del complejo aromático actual que se encuentra 
en operación. Las unidades Parex e Isomar son parte fundamental de este tren de 
aromáticos. En este diagrama se pueden identificar las interconexiones que hay 
entre las diferentes plantas de proceso del tren de aromáticos en operación. En el 
complejo destacan para-xileno y benceno como los productos principales. 
 
Figura 20. Diagrama de bloques del tren de producción de aromáticos en el complejo de 
PEMEX Cangrejera (PEMEX, 2010).
SIMULACIÓN DE PROCESOS 
33 
 
CAPÍTULO 3 SIMULACIÓN DE PROCESOS 
 
Los ingenieros químicos usan la simulación de procesos para realizar una 
importante variedad de trabajos que son calculados mediante balances de materia 
y energía, para predecir el funcionamiento de los procesos reales. La simulación 
de procesos es una herramienta eficaz para modelar el comportamiento, en 
estado estacionario o dinámico, de un proceso químico. Mediante un modelo 
termodinámico se pueden calcular las propiedades físicas y los valores 
energéticos del proceso real. Este mecanismo de predicción de procesos permite 
ahorrar a la industria y los sectores de investigación una gran cantidad de capital y 
tiempo. Las computadoras portátiles pueden realizar de manera rápida los 
cálculos de simulación, dimensionamiento, optimización y cálculos dinámicos que 
anteriormente requerían una gran cantidad de computadoras y un grupo de 
expertos especializados, incluido un experto en cálculo de propiedades. 
Actualmente, simuladores como ASPEN PLUS®, ChemCAD®, PRO II® y HYSYS® 
son fáciles de usar y las especificaciones de una simulación, incluyendo las 
propiedades físicas, pueden ser realizadas en un tiempo menor. 
En este capítulo se muestran los modelos utilizados en la simulación de procesos 
de las plantas Parex e Isomar. Además, se indican los componentes principales 
de cada proceso, los modelos termodinámicos utilizados, la adición de 
componentes hipotéticos y el fundamento para acoplar la simulación de dos 
plantas separadas en una simulación del proceso global. 
El objetivo de realizar la simulación del proceso Parex-Isomar es poseer un 
modelo apegado a las especificaciones de la planta real de PEMEX® Cangrejera. 
Con este modelo se realizan los análisis de variables y el análisis energético del 
proceso. De la misma manera, la simulación del proceso permite identificar 
ineficiencias y realizar ajustes para mejorar el diseño del complejo aromático. El 
diseño del proceso Parex-Isomar esta constituido por 15 DTI’s que fueron 
simplificados al Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) del Anexo E. 
SIMULACIÓN DE PROCESOS 
34 
 
3.1 Modelo Termodinámico 
 
El modelo termodinámico nos permite obtener las propiedades físicas del proceso 
mediante parámetros establecidos en la base de datos del simulador. Encontrar 
buenos valores para los parámetros físicos es la clave para realizar una 
simulación exitosa y esta dependerá del correcto método de estimación de 
propiedades. 
Para obtener un modelo exitoso de cálculo de propiedades en una simulación de 
procesos, se tienen que considerar los siguientes puntos (Carlson, 1996): 
1 Seleccionar el modelo apropiado de cálculo de propiedades. 
2 Validar las propiedades físicas. 
3 Describir los componentes que no se encuentren en la base de datos o 
parámetros no definidos. 
4 Obtener y usar datos de propiedades físicas. 
5 Estimar las propiedades faltantesen el modelo. 
Los simuladores de procesos cuentan con una amplia lista de modelos disponibles 
en su base de datos. En la figura 21 se pueden observar diferentes modelos 
termodinamicos que pueden ser utilizados y con cada uno se realizará el cálculo 
de propiedades de manera distinta. 
Para seleccionar el modelo adecuado se tiene que tener información del proceso 
al que va a ser aplicado. La composición de la mezcla, las fases en la que se 
encuentran los componentes, la disponibilidad de parámetros y el rango de 
tempratura y presión, son factores que deben ser considerados para elegir un 
modelo termodinamico correcto. 
A partir de las características químicas y fisicas de los componentes es posible 
definir un modelo adecuado. La figura 22 muestra un diagrama de selección de 
modelo termodinámico que se basa en la polaridad, la presión y si los 
componentes son electrolitos. 
SIMULACIÓN DE PROCESOS 
35 
 
 
Figura 21. Lista de modelos de propiedades termodinámicas disponibles en simuladores 
de proceso. 
 
Figura 22. Primer diagrama de selección de modelo de propiedades termodinámicas. 
SIMULACIÓN DE PROCESOS 
36 
 
Cuando los componentes en la mezcla son polares y no electrolitos, se puede 
definir un modelo termodinámico adecuado a partir de la presión del sistema, los 
parámetros de interacción binarios entre componentes y la interacción líquido- 
líquido presente en la mezcla. En la figura 23 se muestra un diagrama para elegir 
el modelo adaptado a estas características de los componentes del proceso. 
 
Figura 23. Segundo diagrama de selección de modelo de propiedades termodinámicas. 
Los simuladores de proceso proporcionan las propiedades calculadas en formato 
tabular y gráfico. Sin embargo, es necesario para cualquier proyecto de simulación 
realizar la validación de las propiedades físicas. La validación consiste en 
comparar los resultados obtenidos con los datos conocidos o el comportamiento 
esperado. Este es un paso importante en cualquier simulación y se debe realizar 
para el banco de datos, así como, para los componentes que no se encuentran en 
el banco de datos. 
SIMULACIÓN DE PROCESOS 
37 
 
Para definir un componente que no se encuentra en la base de datos es necesario 
contar con información básica del componente como peso molecular o punto de 
ebullición. Así, mediante la base de datos del simulador, se pueden formular 
compuestos con esas características y adaptarlos al proceso. 
Obtener las propiedades físicas de los componentes es una tarea de investigación 
donde se tienen que contemplar medios de información como libros, revistas, 
compilaciones de datos y colecciones internas de datos en el simulador. Los 
parámetros binarios y datos de componentes en estado puro, que han sido 
obtenidos en estos medios, pueden ser ingresados al simulador de procesos y así 
estimar las propiedades faltantes. 
Estas consideraciones permiten realizar una simulación de procesos exitosa, sin 
embargo, no todos los procesos necesitan realizar todas las consideraciones. Por 
ejemplo, hay procesos con componentes que son especificados en su totalidad 
por la base de datos del simulador, posteriormente se validan las propiedades y si 
son correctas, no es necesario ingresar parámetros nuevos. 
En las plantas de proceso Parex e Isomar estas consideraciones fueron útiles para 
definir el modelo termodinámico correcto. El primer paso para realizar la 
simulación de los procesos Parex e Isomar fue definir las listas de componentes 
presentes en cada planta. 
3.1.1 Componentes en Parex e Isomar 
La composición de la mezcla influirá en todas las propiedades del sistema debido 
al algoritmo utilizado para el cálculo propiedades de la mezcla. Esto afectará 
equilibrio de fases en gran medida debido a la interacción de los componentes. 
Por lo general, la interacción en la fase líquida es la más importante debido a la 
estrecha proximidad de las moléculas en esa fase. La naturaleza de la fase de 
vapor también puede ser importante si los componentes forman complejos. Así 
mismo, la polaridad se ve afectada por las fuerzas de inducción y electrostáticas 
presentadas por los componentes presentes en la mezcla (Carlson, 1996). 
SIMULACIÓN DE PROCESOS 
38 
 
Los componentes que se encuentran presentes en el proceso Parex se pueden 
observar en la tabla 5. En esta tabla se observan las formulas químicas y el 
seudónimo con el que son representados estos compuestos en el simulador de 
procesos. La denominación del simulador de los componentes sirve para referir, 
en análisis posteriores, los datos que son obtenidos de la simulación y no de 
diseño. 
Los compuestos son principalmente hidrocarburos que están presentes en el 
crudo. Hay cantidades de agua que representan menos del 0.5% del proceso. Así 
mismo, tenemos la presencia de un componente hipotético llamado D-1000 que 
representa al desorbente utilizado en el proceso. 
Tabla 5. Componentes en el proceso Parex 
Unidad Parex 
Componente Formula 
Denominación en 
el simulador 
Agua H2O H2O 
Tolueno C7H8 Toluene 
n-Octano C8H18 n-Octane 
Etilbenceno C8H10 E-Benzene 
Para-xileno C8H10 p-Xylene 
Meta-xileno C8H10 m-Xylene 
Orto-xileno C8H10 o-Xylene 
n-Nonano C9H20 n-Nonane 
Desorbente (D-1000) - D-1000* 
 
Los componentes en el proceso Parex son no-polares y reales, por lo tanto 
haciendo uso de los diagramas de selección de modelo de propiedades 
termodinámicas de la figura 22, el modelo recomendado a utilizar es Peng-
Robinson. 
La unidad Isomar cuenta con una mayor lista de componentes que participan en el 
proceso. La tabla 6 muestra la lista de componentes del proceso Isomar donde se 
incluyen la fórmula, nombre y seudónimos de cada componente. De la misma 
manera que en el proceso Parex, los componentes presentes son hidrocarburos. 
SIMULACIÓN DE PROCESOS 
39 
 
Seleccionar el modelo termodinámico Peng-Robinson resulta adecuado debido a 
que los componentes del proceso Isomar son igualmente no-polares y reales. 
Los valores de los parámetros de interacción binarios se encuentran definidos 
completamente, en ambos procesos, por la base de datos del simulador. Por 
ultimo, para verificar la eficacia en el cálculo de propiedades del modelo 
termodinámico Peng-Robinson en el siguiente capítulo se comparan los valores de 
datos reales de planta con los datos calculados por el simulador. 
Tabla 6. Componentes en el proceso Isomar. 
Unidad Isomar 
Componente Formula 
Denominación en 
el simulador 
Agua H2O H2O 
Hidrogeno H2 Hydrogen 
Metano CH4 Methane 
Etano C2H6 Ethane 
Propano C3H8 Propane 
i-Butano C4H10 i-Butane 
n-Butano C4H10 n-Butane 
i-Pentano C5H12 i-Pentane 
n-Pentano C5H12 n-Pentane 
n-Hexano C6H14 n-Hexane 
Benceno C6H6 Benzene 
Tolueno C7H8 Toluene 
n-Octano C8H18 n-Octane 
Etilbenceno C8H10 E-Benzene 
Para-xileno C8H10 p-Xylene 
Meta-xileno C8H10 m-Xylene 
Orto-xileno C8H10 o-Xylene 
n-Nonano C9H20 n-Nonane 
Cumeno C9H12 Cumene 
Metil etilbenceno (MEBZ) C9H12 n-PBenzene 
Tri-metil benceno(TMBZ) C10H14 14-DiethylBZ 
Di-etil benceno (DEBZ) C10H14 p-Cymene 
Di-metil etilbenceno (DMEBZ) C14H22 1245-E-BZ 
 
SIMULACIÓN DE PROCESOS 
40 
 
3.1.2 Componente hipotético (D-1000) 
Por lo regular, en los procesos industriales se pueden encontrar componentes con 
una denominación propia del tecnólogo que ha diseñado el proceso. Estos 
componentes pueden ser; adsorbentes, desorbentes, refrigerantes, catalizadores, 
entre otros. La composición de estos componentes solo es conocida por los 
encargados del proceso y la compañía que ha comprado la tecnología. Para fines 
de la simulación de procesos, se puede realizar la conceptualización de un 
componente hipotético en la base de datos del simulador de procesos. Mediante 
las propiedades físico-químicas del desorbente, adquiridas de datos de diseño, se 
conceptúo utilizando la herramienta Hypotetical® de Aspen Hysys® el componente