25-1-9559

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I N S T I T U T O P O L I T E C N I C O N A C I O N A L
ESCUELA SUPER IOR DE INGEN IER IA 
QU IM ICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
AHORRO Y USO EFICIENTE DE LA ENERGIA EN 
REFINERIAS Y P L A N T A S P E T R O Q U I M I C A S
TESIS PROFESIONAL
PARA OBTENER EL TITULO DE
I N G E N I E R O Q U I M I C O I N D U S T R I A L
P R E S E N T A
I 0 S E A N G E L L A M A D R I D V I D A L
México, D. F. 1985
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL1' ^
' P f ' F S C U E I £ SU i ’ i'R-in-R D E ¡NC> i\ !LR !A Q U lM i C A E IN D U S TR IA S E X T R A C T IV A S
mj t K }> ̂ ^
fv < -7 ', '-v ^ , ’ J D I V I S I O N D E S I S T í J y AS D E T I T U L A C I O N
MA'KI IAKIA 
ni;
i ü t ’LALiuN :-Lf.ucA M éxico , d . f. Mayo 7 . do 1 9 8 :
C. JOSE ANGEL LAMADRID VIDAL.
Pasante de Ingeniero QUIMICO INDUSTRIAL. 1979-1 983
Presente
El tem a de trabajo y/o tesis p<ira su exam en n rotesionsl en la opción TESIS 1 RAD1CIONAL I f.D I /1 DUAL, 
es propuesto por el C. INS. NESTOR LORENZO DIAZ RAMIREZ. quien será el responsable
de la calidad de trab ajo que usted presente, refunda ,il tem a: “ AHORRO Y USO EFIQ-IENTE DE LA ENERGIA EN
REFINERIAS Y PLANTAS PE7kOOUiMICAS
el cual deberá usted desarrollar de acuerdo con el siguiente orden :
RESUMEN.
J.~ INTRODUCCION 
II.- GEiNERAL I ['Al'Lí .
I I I . - PRESENTACION DEL PROBLEMA.
IV.- ANALISIS Oh LAS P E Í D A S l Nl RGETICAS EN REFINERIAS Y 
, PLANTAS PETROQUIMICA^.
V.- SOLUCION A LA PROBLEMATICA DE DESPERDICIO Y USO INEFICIEN1 
! DE LA ENERGIA EN REF Ñ E R A S Y ¡U ANTAS PE ¡R00U1MICAS.
V I.- CONCLUSIONES Y RECOXuNEAOIONES.
BIBLIOGRAFIA.
ING. R U B E T O M U S BARRON. ING. NESTOR LORENZO DIAZ RAMIREZ.
El J e fe del D epartam ento de Opción El P rofesor O rientador
ING. RUBIN LtiTUS-BARRON DR. G Ü IL L f T H ^ ^
El Je fe de ía División de 
SLtemas de Titulación
El/Óirector de la Escuela
mrg
AH OR RO Y USO EF ICIENT E DE LA ENERGIA 
RFF.TNFRTAS y PS ANTAS P E T R O Q U I M I C A S
MA YO 1985
I N D I C E
Resumen .............................................................. 1
In tr oducci ón ...................................................... 3
Generaci ones ...................................................... 5
Pr es entaci ón del prob lema ...................................... 15
Esquema de una re fi nería y planta p e tr oq uí mi ca tipo . . 18
Unidades de co mb us ti bl es ....................................... 20
Unidades de lu brican tes ......................................... 22
Unidades de c o n v e r s i ó n ............................................ 23
Procesos pe tr oq uí mi eo s . ..................................... 25
Principales consumos de energía en re fi nerías y plantas
pe troqu ími ca s ...................................................... 26
Consumo de energía en difere nt es unidades ................ 32
Principales pérdidas en ergéti cas en re fi ne rí as y p l a n ­
tas petroq uí mi ca s ................................................. 35
Balance de energía, pérdida en el proceso de re fi na ci ón
y p e t r o q u í m i c a .......................... 35
H o r n o s .............................................................. 39
Temp er at ur a de f l a m a ............................................. 41
C a l o r ú t i l ........................................................... 43
Pérdidas de calor sensible en los gases de c o mb us ti ón . 47
Pérdidas generadas en los gases de co mbusti ón. Exceso
d e a i r e .............................................................. 48
Pérdidas por radiación en paredes ....................... 50
Pérdidas en el interc am bi o térmico . ................... 51
Op timiza ción de la pureza de los p r o d u c t o s ................ 56
Análisis de las pérdidas energ éti ca s en r e fi ne rí as y
plantas petroquí micas ........................................... 62
Estudio de la variable para s o lu ci on ar pr oble ma s de uso 
ineficie nte de la e n e r g í a ...................................... 62
PAGINA
PAGT NA
Balance de e x e r g í a .............................................. 66
E j em pl if ic ac ión del problema ................................ 70
Balance de exergía de una unidad de de st ilac ió n at mo sfé
rica y su equipo p e r i f é r i c o ................................... 71
Estudio del horno .............................................. 73
Gene ración de calo i 1 en las ce ntra le s de las plantas pe
tr oquímica s y r e f i n e r í a s ........................................ 80
Ge ne ración de el ec tr ic id ad den tro de las plantas p e t r o ­
químicas y refinerí as ........................................... 85
Solución a la pr oblemá tica de de s p e r d i c i o y uso i n e f i ­
ciente de la energía en re fi nerías y plantas p e t r o q u í m ^
c a s ................................................................... 89
Medidas ad mi ni st ra tiv as para el control del uso i n e f i ­
ciente de los energéti cos ...................................... 90
Programa de Ahorro de Energía ................................ 90
An álisis ene rgé ti co .............................................. 91
Au ditorí a e n e r g é t i c a .............................................. 91
Cont ab il id ad ene rgé ti ca ......................................... 99
Consumos globales de la p l a n t a ................................ 99
Consumos por centros de ut il izac ió n ........................ 102
Consumos e s p e c í f i c o s ........................................ . 108
Orga ni za ci ón empresarial de la gest ión en er gé ti ca . . . 109
Comité de e n e r g í a ................................................. 110
O b j e t i v o s ........................................................... 110
Medidas técnicas para el ahorro y uso ef ic ie nt e de los
e n e r g é t i c o s ......................................................... 117
Esquema general para re so lv er problema s de co ns er v a c i ó n
e n e r g é t i c a ............................................. 117
Medidas a tomar en la c o ns er va ci ón de exergía en la
p l a n t a ............................................................... 119
Reducción de de sperdi cios en los prin ci pa le s equipos de
las refinerías y plantas p e t r o q u í m i c a s ...................... 119
PACI NA
Balance de energía o exergía ................................ 125
Re cu pe ra ci ón y d i s b ri bu ci ón de condensado. Redes de
d i st ri bu ci ón ....................................................... 1 3 4
A i s l a n t e s ........................................................... 13 4
Re cu pe ra ci ón de gases del me ch er o y otros pro duc to s r e ­
sidual e s ............................................................... 1 3 6
Control y regulaci ón a u t o m á t i c o s ..................................138
R e cu pe ra ci ón de calor en torres de d e s t il ac ió n y equi po
p e r i f é r i c o ............................................................ 140
R e va lo ri za ci ó n de los de s p e r d i c i o s e n e r g é t i c o s .............. 141
Resumen de m e d i d a s .......... ..... ................................ 144
Co nc lusi on es y r e co me nd ac ion es .............................. 14/
Bi bl i ograf í a ................ ......................................149
Apén di ce A ............................................................ 151
R E S U M E N
El objeto de este trabajo es lograr transmitir algunos linca­
mientos y experiencias en la racionalización energética en la industria d e refi­
nación y petroquímica, lo anterior se obtuvo de una recopilación bibliográfica,
con lo cual se espera que sirva para que se inicien trabajos más específicos
y profundos en la implantación de medidas que coadyuven al uso racional d e los
energéticos en áreas estratégicas, cumo es el caso de la industria de refina­
ción y petroquímicabásica y secundaria.
La información y discusión de la problemática del uso inefi­
ciente y dispendio de energía, aquí contenido, se encuentra dividida en 6 ca­
pítulos, los cuales se detallan a continuación. Además, cuenta con un anexo en 
el cuál se incluyen algunas tablas de conversión de unidades, abreviaturas utili_ 
zadas, deducción de ecuaciones y por úllimo, un programa de simulación para una 
bomoa de calor.
El capítulo I corresponde a la introducción, en el cual se 
menciona la importancia que tiene para el ingeniero y para la industria la a p H 
cación de las medidas y acciones de ahorro y uso eficiente de la energía, las 
cuales se encuentran contenidas en este trabajo.
El capítulo II corresponde a las Generalidades, en él, se 
proporciona en forma general el panorama mundial y nacional de la industria pe­
trolera dentro de la refinación y la petroquímica, en cuanto a consumo energéti_
co y a su eficiencia de utilización de la energía.
El capítulo III presenta la problemática existente en el uso 
irracional y dispendio energético en la industria de refinación y petroquímica, 
para lo cual se proporciona un esquema de una refinería típica con los principa­
les consumos de energía que se generan , así como sus principales pérdidas.
2
Cn el capitulo IV se realiza un análisis de las pérdidas 
energéticas dentro de estas industrias, basándose en la aplicación de una va­
riable de estudio como lo es la EXERGIA, ademas presenta una ejempl ificación 
de la aplicación de dicha variable.
El capítulo V presenta una serie de alternativas para solu­
cionar el problema de uso ineficiente de la energía dentro de este tipo de in­
dustrias. Además proporciona acciones y medidas de tipo económico, político y 
técnico para aplicarse a corto, mediano y largo plazo en la solución de dicho 
problema.
Por ultimo, en el capítulo VI se enumeran una serie de con­
clusiones y recomendaciones derivadas de este trabajo.
3
I . - I N T R O D U C C I O N
Nuestra industria, en general, ha dado pasos lentos en la /
implantación de medidas para racionalizar el uso de la energía, debido princi­
palmente a que nuestro País, cuenta con una gran cantidad de recursos energéti_ 
eos. Lo anterior fue motivo suficiente para que no existiera preocupación al­
guna por establecer procesos que utilizarán en una forma eficiente los energé­
ticos. Sin embargo, esta apatía aparente tendrá que desaparecer a la brevedad 
posible, puestos fuertes incrementos de los precios en los combustibles han 
ocasionado severas variaciones en los costos de producción. Asimismo, los hi­
drocarburos, principal fuente de energía en nuestro país, son recursos que de­
bemos cuidar, ya que pertenecen al grupo de los recursos no renovables,J^por lo 
que es necesario implantar un programa dinámico y apegado a las necesidades 
de conservación de nuestros recursos naturales estratégicos, es por ésto que el 
presente traoajo, esta enfocado a estudiar y analizar las posibilidades de aho­
rro de energía dentro de esta industria, además de una recopilación bibliográfi_
dustria petroquímica y de refinación, por ser las principales consumidoras de 
la energía. Así mismo, pretende sentar las bases de estudios más profundos y 
específicos que contribuyan a conservar los recursos energéticos de nuestro 
país. En dichos estudios se tratará de obtener una metodología encaminada a la 
recuperación de esta energía, la cual cuenta con los niveles apropiados de fac­
tibilidad económica y técnica. Con la aplicación de estas medidas, la recupera­
ción de energía desperdiciada en los procesos de refinación y petroquímica, se 
coadyuva a la conservación de los recursos energéticos no renovables que es una 
meta que debe alcanzar, a corto, mediano o largo plazos, el ingeniero de pro 
ceso.
Por otro lado, este trabajo de tesis está enfocado a la ¡n-
Por otro lado, el gobierno mexicano considera prioritario 
dentro de su Programa Nacional de Energía (PRONE), la implantación urgente de
4
acciones que conduzcan al mejoramiento de los equipos y procesos existen­
tes en la industria Petrolera Nacional, para racionalizar el consumo de - 
energía de esta.
Por lo anteriormente expuesto y consciente de la importancia 
que reviste la implantación de estas medidas de ahorro y uso eficiente d e 
la energía en Nuestro País, el presente trabajo de tesis, trata de propor­
cionar una visión del problema del uso irracional de los energéticos e n la 
industria de refinación y petroquímica a partir de la presentación de di­
versos puntos de vista; el técnico, el político y el económico y varias 
alternativas viables para solucionar el problema. Asimismo se da una vi­
sión de la problemática internacional, con lo que se pretende establecer 
un estandar d e consumo, el cual nos sirva como norma para hacer más e f i c i e n _ 
te nuestra industria.
Finalmente cabe mencionar la importancia que tiene para e! in­
geniero químico, el contar con las bases necesarias para resolver los pro­
blemas relacionados con la utilización de la energía en la planta Droducti_ 
va. Lu contribuyan dtl ptesuntt; Lrdbuju es un^ metooologia que perTiito - 
ahorrar y utilizar eficientemente la energía, ya que proporciona di inge­
niero la herramienta indispensable para realizar los estudios energéticos 
de la planta, los cuales le indicaran cuanta energía es utilizada práctica­
mente, cuánta energía es necesaria teóricamente y finalmente cuanta es despe_r 
diciada por el proceso , al establecer un balance, por lo que paralelamen­
te le indicaran el Potencial de Ahorro y las áreas más críticas, dentro de 
la planta, en las cuales puede realizar una disminución del consumo enrge- 
tico.
5
Como se mencionó en el capítulo anterior, la disponibilidad 
de hidrocarburos a precios relativamente bajos, propició un acelerado creci­
miento en su consumo, el cual alcanzó una tasa anual promedio del 5.5% duran­
te las décadas de los años cincuenta y los sesenta.
En 1973, esta situación cambió drásticamente al incrementar­
se el precio internacional del petróleo crudo de $ 2.64 a $ 9.60 dolares US 
por barril como consecuencia del embargo petrolero decretado por la OPEP.
II.- G E N E R A L I D A D E S
Fuente ; Programa de Conservación y Ahorro de 
Energía PEMEX.
En respuesta, algunos paises industrial izados formularon un 
programa internacional de energía para coordinar sus políticas energéticas.
En 1974 establecieron la Agencia Internacional de Energía, entre cuyos obje­
tivos se incluyen el desarrollo de fuentes alternas de energía y otras medi­
das destinadas a reducir a largo plazo, la dependencia de sus economías con 
respecto al petróleo. Estos hechos subrayaron la importancia de la conserva­
ción de energía como elemento básico de planeación energética.
^ G r a d i e n t e - j ¡ D e s O r t O-
\ Tcrmico y j \ i So 
\ o f « y V' v _ 
Fuente: Programa de Conservación y Ahorro de 
Energía PET1EX.
Así mismo, las soluciones desarrolladas por los distintos go­
biernos del mundo y principalmente por los países pertenecientes a organizacio­
nes internacionales, dedicadas a la administración de la energía, son una buena 
referencia para obtener el potencial de Ahorro para un país como México oara 
que inicie programas de esta naturaleza. Dichos programas han considerado di fe 
rentes medidas en función de las condiciones políticas, económicas, sociales, 
geográficas y climatológicas de cada país; sin embargo, todas coinciden en el 
ámbito de aplicación que comprende los sectores industrial, doméstico, comercial 
y del transporte.
El análisis del resultado global, que obtuvieron algunos de 
estos países al aplicar sus programas, muestra que en 1980 alcanzaron un Ahorro 
del 11% en sus consumos totales, y se estima en un mínimo del 20% para 1990, pê
7
ro cálculos más recientes indican que esta meta se superará con creces.
El indicador del consumo con respecto al producto interno 
bruto (PIB) o tambiénllamado intensidad energética, de este conjunto d o paí­
ses entre 1970 y 1982, muestra los resultados obtenidos en forma más determi­
nante. Mientras que en 1970 se utilizaban 103 unidades de energía por cada 
unidad de producto, en 1981, solamente se emplearon 85 unidades, es decir, 18 
unidades menos de energía por unidad de producto.
PORCENTAJE DE AHORRO DE ENERGÍA 
EN PAISES ¡N D U S TR iA U ZA D O S
Fuente: Programa de Conservación y Ahorro de
Energía PEMEX.
En México hubo dos factores que propiciaron una situación 
contraria, la magnitud de las reservas descubiertas en plena época de crisis, 
aunada a la política de precios internos bajos de los energéticos en este pe­
ríodo, ocasionaron que el consumo de energía por unidad de producción se in­
crementara en un 33%.
A partir de 1982 los precios internos reales de los energé­
ticos empezaron a incrementarse. Esto fue una consecuencia de los cambios 
que sufrió la política de precios nacionales con los precios internacionales 
de los hidrocarburos.
8
Sin embargo, aún cuando la elevación de precios de los energé 
ticos es una de las principales medidas utilizadas para lograr que se haga uso 
más eficiente de ellos, es necesario realizar esfuerzos adicionales con el fin 
de obtener mejores resultados.
PRECIO DE VENTA AL PUBLICO 
DE COMBUSTIBLES INDUSTRIALES Y GLP
T it &
1970 1975 19S0 1S82
{-uente: Programa ríe Conservación y ¿narro cíe 
Energía PEMEX.
Tomando en consideración a los países industrializados en 
1973 a 1980, éstos han logrado en primer lugar, reducir las necesidades tota­
les de petróleo, asi como las importaciones del mismo en 3% y 4% respectiva­
mente.
9
En segundo término y durante el mismo período, éstos países 
consiguieron disminuir la proporción de energía total a producto interno bru­
to (P.I.B.) en un 13% y de petróleo a PIB en un 20%, como consecuencia de sus 
programas de conservación de energía y del desarrollo de fuentes alternas - 
(energía nuclear y carbón principalmente). Un caso notable es Japón, que de 
Í976 a 1982, logró un ahorro promedio anual del 4% en su consumo de energía 
por unidad de producto. Otros casos relevantes son Estados Unidos, Francia e 
Italia con 2.6, 2.2 y 2.2 respectivamente, (ver cuadro I)'
C U A D R 0 I
Indices
PIB
de Consumo de Energía Primaria 
Real. (Países seleccionados) 
(Indices 1976 r- 100)
por Unidad de
1975 1980 1982 1982-1975
(variación proiroaio
anual)
Francia 100.0 92.5 86.7 2.21
Japón 100.0 85.5 76.8 4.03
Italia 100.0 89.6 87.0 2.16
Reino Unido 100.0 93.8 90.4 1.60
Estados Unidos 100.0 90.4 84.2 2.63
España 100.0 106.7 103.9 0.65
México 100.0 114.8 125.7 4.28
Fuente: Elaborado con base en: Banxico, Boletín de Indicado­
res Económicos, Abril-Junio 1983, BP Co., British Pe- 
troleun Statistical Review of -World Energy, 1982,SPP. 
Cuentas Nacionales.
10
La convergencia entre la expansión de la industria petrolera nació 
nal y el mayor índice de consumo de energía, nos debe alertar sobre la posible 
relación entre los patrones de consumo de energía en este sector y el incremen 
to de la demanda energética por unidad de producto a nivel de la economía en 
su conjunto. Presunción que se confirma con el ejercicio simple de ponderar el 
consumo de energía por unidad de producto en cada sector con su participación 
eo el PIB. En el cuadro II, se muestra que el sector petrolero, incluyendo re­
finación y petroquímica básica, explica por sí sólo el 50Í del incremento abso 
luto del Indice de Consumo de Energía Total, mientras que el sector Industrial 
y el de Transporte, tomados en conjunto, explican únicamente el 30% de dicho 
aumento. No queda por demás insistir en la importancia de lo mencionado ante­
riormente. El mensaje es claro, cualquier intento, política o medida que se 
adopte para resolver el problema de los altos índices de consumo de energía, 
tiene necesariamente que considerar, de mgnerg nHnrítaria. a la industria oe 
trolera nacional.
I I . - Eficiencia en Centros de Transformación de 
Energía: Comparación con otros países.
Una primera forma de evaluar los patrones de uso de energía del pro 
pió sector energético, es el comparar las eficiencias en centros de transforma, 
ción (refinerías, plantas termoeléctricas, plantas de gas, etc.) entre México 
y países de la OCDE y de América Latina, definidas como relación entre insumos 
primarios y la energía que se transforma a producto.
11
CUADRO 11
Conformación del Consumo de Energía Primaria 
Total por Unidad de Producto 
(índices y crecimiento)
SECTOR 1975 1982 DIFERENCIA
Absoluta Porciento
Industria 22.9 27.3 4.4 15.1
Transporte 25.2 29.9 4.7 16.2
Petróleo 25.2 39.4 14.2 48.8
Electri cidad 16.5 17.4 0.9 3.1
Otros sectores 16.0 20.9 4.9 16.8
TOTAL 105.8 135.0 29.1 100.0
NOTA: Estos índices se obtuvieron mediante la expresión que aparece er, el apén 
dice A.
Con base en los indicadores (ver cuadro III), se observa que los 
países de la OCDE son en general más eficientes que los países latinoamerica­
nos, a excepción de los centros de refinación. En este contexto, México se sj_ 
tua entre los más ineficientes, por ejemplo, para 1980, nuestro país tiene una 
eficiencia del 90% en plantas de refinación, aproximadamente, lo cual lo col_o 
ca por debajo de la OCDE y de los principales países de Latinoamérica. A este 
respecto, conviene puntualizar que si bien la eficiencia de refinerías depen­
de de la calidad del crudo procesado y su grado de complejidad, este hecho es 
ilustrativo de la necesidad de prestar mayor atención al uso y conservación de 
la energía en refinerías y plantas pe tr oq uí mi ca s .
1?
C U A D R O III
Comparación de Eficiencias entre los países de la Comunidad Europea y 
Latinoamericana 1978. (porcentajes)
PROCESO EFICIENCIA
C.E L.A
1.- Plantas de coque y generadores de calor. SO.O 45-90
2.- Refinerías 88-94 90-97
3.- Plantas procesadoras de gas natural
4.- Conversión de energía primaria en electri­
cidad en plantas termoeléctricas conven­
96-97 92-98
cionales. 30-35 23-32
Fuente: OLADE, "Influence of Energy on Latin American Development", 
12 th. Congress of the World Energy Conference, RT-7h, New 
Delhi, Septiembre 1983, p .21
II.2. Patrones de Consuno de Energía en la Industria 
Petrolera Mexicana.
La comparación en términos de eficiencia, realizada con anteriori­
dad, sólo considera las pérdidas en refinerías, sin embargo, un análisis más 
detallado del problema debiera considerar el autoconsumo y las pérdidas de 
transformación, transporte y almacenamiento, tanto de crudo como de productos 
derivados. Para México, las pérdidas y autoconsumo del sector petrolero repre
sentan por sí solas una mayor proporción de energía que la causada en cualquier 
otro sector de la economía, tomados de manera independiente. Asimismo, respec­
to de las necesidades totales de energía en 1981, el autoconsumo y les perdidas 
del sector energético mexicano representan el 27.4%, seis veces mayor al prome 
dio de los países de la OCDE. Estas comparaciones reflejan en este sector la 
potencialidad de ahorro con el uso de las medidas apropiadas.
C U A D R O IV
Autoconsumo de Energía en la industria 
Petrolera Mexicana 1982
C ü i u E P ¡ 0 r u R C E N T A u l
Refinerías 38.0
C. Petroquímicos 35.0
Campos 23.0
Transporte, almacenamiento y distribución 4.0
TOTAL 100.0
Fuente: IMP, subdirección de planeación económica e industrial.
14
C U A D R O V
Eficiencia en Centros de Refinación
Países de la OCDE
R E F I N E R 
1971
PORCENTAJES
I A S 
1980
Estados Unidos 93.3 93.1
Japón 95.7 91.9
Francia 92.4 94.2
Italia 94.2 93. 3
Portugal 90.6 93.5
España 95.8 95.8
Reinu Unido
Países de América Lati na ^-
no ry¿., m o J 1 - c.
México 95.4 89.9
Chile 93.6 n.d.
Ecuador 91.3 94.3
Perú 96.7 97.0
Venezuela 90.6 90.2
Argentina 92.0 90.6
Brasil n.d 96.5
NOTAS: n.d = no disponible.
[ 1 = Los datos corresponden a 1970 y 1979/1980.
Fuente: OECD: International EnergyAgency, Energy Balances of 
OECD Coutries: 1971-1931, Paris, 1983. América Latina;
15
OLADt5 "Influence cf Energy on Latin Amcrican 
Dcvelcpment", 12 th Congress of the World Energy 
Conference, New Del ¡ti, Sep 1983.
D IS TR IB U C IO N DEL C O N S U M O TOTAL 
DE EMERG IA EfSi M EX ICO , 1332
- -P -A CFE 12%
Transporte 22%
G C Industria 16%
Otros 12%
I i
~ Z ^ Fl
p c M c y 35%
2,270 MBDPCE 100%
Fuente: Programa de Conservación y Ahorro de Energía 
PEMEX.
III. Presentación del Problema.
En esta sección se presentan y se analizan los principales puntos 
de la problemática que se genera en los procesos de refinación y petroquímica 
en la utilización de la energía, para lograr una racionalización efectiva del 
consumo de los recursos energéticos empleados.
16
III.1. Proceso de Refinación.
III. 1.1. Esquema de una Refinería.
Los procesos de refinación, en un sentido general, son aquellos 
que permiten transformar el petróleo crudo, o sus fracciones, en una serie de 
productos que tiendan a satisfacer en calidad y cantidad la demanda del merca 
do. A continuación se ejemplifican en forma general los procesos que tienen 
lugar en una refinería, dichos procesos pueden ser químicos o físicos, deper^ 
diendo de la propiedad que se requiera modificar.
a) Procesos químicos. Estos procesos pueden dividirse en tres cla_
ses:
* Procesos destructivos de transformación, los cuales a su vez
se subdivider. er, función del fin perseguido, o sea, si se 
modificaran la estructura molecular para mejorar la calidad 
del producto, o para transformar los productos en exceso para 
equilibrar la producción y la demanda, o para la preparación 
de materias primas para la industria petroquímica.
* Procesos de síntesis
* Procesos de sulfuración
b) Procesos físicos. Estos procesos se dividen en:
* Fraccionamiento de los cortes de primera destilación
* Fraccionamiento de los efluentes de las unidades de transfor
mación.
Como una ilustración de los diversos procesos correspondientes a 
las transformaciones antes mencionadas, se presenta a continuación el equema 
de una refinería, representada por el siguiente equipo principal:
17
- Torre de destilación dimos .'erica (tooping)
- Torre de destilación de vacio
- Unidades de reformación e hidrodesulfuración
- Unidad de lubricantes.
A continuación podemos describir en forma general el funcionamien 
to de las principales unidades con el fin de poder evaluarlas posteriormente, 
y con esto obtener las que tengan un mayor desperdicio energético.
18
O O Cv " O (D T3 0> Í Q Ü 3 J 3 D CQ t O t n X r t O M i U D 0 " O Q = r
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O v Ov LO Dj O Cu =50 pj Di Dj 3 3 3—1 —i oo co —j o O OfD fD C UD VjOCD OO O cr Cr co en o
CU
19
1.~ Reformado catalítico
2.- Unidad de destilación atmosférica
3.- Unidad de destilación al vacio
4.- Unidad desasfaltado
5.- Recuperación
6.- Desulfuración de nafta ligera
, 7, - Unidades de hidrodesulfuración
8.- Unidad de extracción con uisol ven Les
9.- Unidad de desparafinado
10.~ Unidad de bi o r o acacado
11.- Unidad de tratamiento con tierras
12.- Soplado de asfalto
13.- Unidades de conversión y plantas anexas
14.- u n i a a d de o 1e f i n a s
15.- Unidades de aromáticos
15.- Unidad de mezcla de gasolinas
17.- Unidad de mezcla de gases
18.- Unidad de mezcla y embasado de aceites lubricantes
19.- Unidad de mezcla de querosenos
20.- Unidad de mezcla de combustóleos
20
1II.I.I.I Unidades de Combustibles.
La primera unidad de cualquier proceso de refinación es la uni­
dad de destilación atmosférica (topping). En ella, el crudo es eventualmen­
te desalado y después de un precalentamiento se destila a una presión lige­
ramente superior a la atmosférica; fraccionando en un cierto número de cortes, 
clasificados en función de la temperatura de ebullición de los hidrocarburos: 
gases licuados del petróleo (propano y butano, también denominados LPG), naf­
ta, keroseno, gas-oil, fuel-oil y residuo atmosférico. Al salir todos estos 
productos son sometidos a tratamientos en otras unidades como lo es la refor­
mación catalítica, en la cual se modifican las estructuras moleculares para 
mejorar la calidad de los productos. La alimentación a esta unidad es n a f t a 
pesada, produciendo gasolina de alto octanaje, la que es obtenida por reaccio 
ríes de ciclizdc ióii de pardfinds, desh idroyeíidC ¡un de ridi Ldlenos (con prou^cciun 
de aromáticos), hidrocracking de parafinas de alto peso molecular; la unidad, 
asimismo, es productora de gases saturados y de gran cantidad de hidrógeno.
La carga es desulfurada previamente para evitar el envenenamiento de los cata 
lizadores. Antes de llegar al reactor es precalentada por los efluentes del 
mismo. Después de la etapa de reacción hay una separación de hidrógeno y, poŝ 
teriormente, un fraccionamiento de los productos obtenidos, esta unidad se 
presenta en la figura # 2.
Las unidades de refinación de gases, asi como las de tratamiento 
de nafta ligera, pertenecen a procesos de desulfuración clásicos. En las pri­
meras se trata el LPG procedente de las unidades productoras, y una vez elimi­
nado el azufre se fracciona. Existen varios tipos de tratamientos, tales como 
el lavado con sosa cáustica o aminas.
21
DIAGRAMA DE TLUJO DE UNA UNTDAD DE REFORMADO CATALITICO.
Figura // 2
SECC O N D r REACCiOU SEPARACON E S T A B IL I7A rC N
H ID R O G E N O
FUENTE: Ahorro y Conservación de la Energía en la Industria,
Ministerio ae Energía de España, 1983.
Por otro lado en el endulzamiento de naftas se emplean cata­
lizadores de oxidación para transformar los marcaptanos en disulfuros o poli- 
sulfuros neutros.
Finalmente, las unidades de hidrodesulfuración, pertenecen a
los procesos de desulfuración con hidrógeno, los cuales utilizan catalizadores
de cobalto - molibdeno y temperaturas del orden de los 350 - 400 I C con pre-
2
siones parciales de hidrógeno comprendidas entre los 20 y 50 k j ./crr . Estos 
procesos se aplican a numerosas fracciones con el fin de mejorar su caridad, 
ya que el azufre se elimina bajo la foir<a H,,S, asimismo, las o’efinas se hi­
drogenan y se mejora el color, el olor y la estabilidad de los productos.
III.I.[.2 Unidades de lubricantes.
Estas unidades, parten del residuo atmosférico de las unida­
des de combustible, llevando a cabo una cadena de operaciones, las cuales con 
ducen la materia prima a la produccio'n de diferentes aceites lubricantes, que 
demanda el mercado. Fundamentalmente, los procesos empleados en estas unida­
des son los procesos físicos de transformación. El primer eslabón de la cade 
na, lo construye la unidad de destilación al vacío, en la cual se fracciona 
el residuo atmosférico en varios destilados que se emplean como cortes ba-es 
de aceites lubricantes. En esta unidad no es po^'ble obtener un residuo úni­
camente rico en componentes pesados, por lo que se utiliza un selectivo, de 
tal forma que se ootiene una base lubricante prácticamente excenta de materia 
asfáltica ("Cylinder Stock" o "Bright Stock"). El residuo pesado obtenido, 
puede utilizarse para formular combustcleo, o como asfalto.
Una característica típica de las unidades de refinación de 
lubricantes, es el trabajo por lotes, alimentándose de los diferentes tipos 
de bases lubricantes necesarias para formular una gran diversidad de aceites, 
éstas características lo colocan como gran consumidor de energía, al útil i - 
zar intermitentemente |,nc enprnétícos.
Dentro de la línea típica de unidades de refinación, la ex­
tracción con disolvente, tales como, el fenol o el furfural, es otro de los 
procesos físicos, empleando: los hidrocarburos,conestos disolventes forman 
dos fases inmisibles, una rica en hidrocarburos aromáticos y otra compuesta 
por estructuras básicas para la elaboración de lubricantes (principalmente 
ciclos nattalénicos y monoarmomátieos¿on cadenas parafínicas laterales)
Asimismo, el desparafinado por cristalización en presencia 
de un disolvente, elimina las parafinas de alto peso molecular con lo que se 
mejora el punto de congelación de los aceites.
Una vez desparafinados los aceites, son sometidos a una se­
rie de tratamientos que ayudan a mejorar la estabilidad y el color de los mis_ 
mos, como ejempio, podemos citar el tratamiento con tierras e hidroacabado. 
Este último, básicamente es una hidrogenación catalítica en condiciones muy 
suaves de presión y temperatura.
23
Actualmente, y medíanle orocesos de hidrogenación catalTti - 
ca a presiones elevadas (150-300 Kg cm ) se están obteniendo aceites de alta 
calidad. Este proceso, dependiendo del tipo de aceite y de la seveiidad de 
la operación es el sustituto de la extracción ccn disolventes.
Por lo que pudimos obsei var a grandes rasgos, los procesos 
de obtención de lubricantes, son grandes consumidores de energía, al utilizar 
operaciones complejas para su producción.
III.1.1.3 UNIDADES DE 03TENCI0N DE PRODUCTOS BASICOS 
PARA LA PETROQUIMICA.
Estas unidades, aunque no están representadas en el diagra­
ma (figura # 1) las podemos clasificar dentro de las unidades de procesos deŝ 
tructivos de transformación, los cuales se fundamentan en el cracking térmico 
de fracciones de petróleo, normalmente en presencia de vapor de agua.
rü J O oí O l ciuO 9 a L-Uii ú i ¡lUat I ■jp be UíJbUí i ücll ül tJVfcMcM le d í
nos de los principales procesos. El efluente de los Hornos de Cracking (Mez 
cía de Hidrocarburos y vapor de agua), se somete a un fraccionamiento, obte­
niéndose una corriente gaseosa (corriente principal), una mezcla de gasolina
y agua (que posteriormente se separan) y un residuo pesado empleado como com
2
bustoleo. La corriente gaseosa se comprime hasta unos 40 Kg/cm , y comienza 
una serie de fraccionamientos hasta una baja temperatura (-160°C aproximada­
mente), mediante la cual se consigue separar los diversos productos (hidróge_ 
no, metano, etileno, propileno, fracción C^) con elevada pureza que es nece­
saria para poder alimentar a la industria petroquímica. A partir de la ga­
solina de pirólisis (muy rica en aromáticos) pueden obtenerse otra serie de 
productos, materias primas para la petroquímica, como son el benceno, tolue­
no y xileno.
III.1.1.4.- UNIDADES DE CONVERSION.
Este tipo de unidades, se pronostica, tendrán una expansión 
más rápida en el futuro, ya que éstas pueden ser diseñadas para casi cual­
quier tipo de alimentación pesada, convirtiendu los hidrocarburos pesados en 
ligeros, por lo que esta clase de transformaciones pertenecen a los procesos
24
La operación de estas unidades se lleva a cabo mediante un 
cracking, ya sea térmico o catalítico; aunque en el primero, para esta fina- 
iidad se considera obsoleto. Las unidades más utilizadas, son las de cracking 
catalítico fluido y las de hidrocracking, ya que existe la presencia de hidró­
geno en este último proceso, los rendimientos en la producción de gasolinas 
son mayores que el otro, si bien tiene el inconveniente de un alto costo, no 
sólo por el proceso en sí, sino por la planta de producción de hidrógeno que 
necesita,para ello , éstas unidades de cracking catalítico tienen mayor ex­
pansión que las de hidrocracking, un esquema de producción de esta unidad se 
representa en la figura # 3.
v a p o r
destructivos de transformación.
DIAGRAMA DE FLUJO DE UNA UNIDAD DE CRACKING CON LECHO CATA­
LITICO FlUIDTZADO.
25
111,2, PROCESOS P l TROQUÍMICOS
III.2.1.PROCESOS PETROQUIMICOS
Dentro de las plantas petroquímicas se realizan una serie de 
operaciones, las cuales parten de un número relativamente pequeño de materias 
primas, proporcionando una elevada cantidad de producios (más de 3000), utili­
zando para ello una extensa variedad de procesos. Dichos procesos podemos com­
pararlos con los de refinación, aunque existen diferencias notables en cuanto al 
consumo de energía ya que los procesos petroquímicas emplean menor cantidad, - 
estos procesos tienen operaciones unitarias semejantes a las de refinación por 
lo que todas las acciones encaminadas a producir un ahorro energético en la in­
dustria de refinación son aplicables en su mayoría a la Industria Petroquímica 
básica.
Por otra parte, podemos mencionar que la industria petroquími­
ca se deriva de cuatro fuentes de alimentación básica que son:
- Mezcla de monóxido de carbono - hidrógeno (denominado gas 
de síntesis), que puede obtenerse a partir de cualquier materia que contenga 
carbono e hidrógeno, aunque se utilice preferentemente metano.
- A partir de definas, producidas por el cracking térmico
del etano, propano,- butano, o diferentes tracciones del petróleo.
- A partir de aromáticos, procedentes del reformado catalítico 
o de gasolinas de pirólisis.
- A partir de naftas, por reformado con vapor para la ob­
tención de gas de síntesis como el amoníaco que sirve de base a la industria de
fértil izantes.
Por lo anterior, es que el problema del ahorro y uso inefi­
ciente eo refinación se estudiará en forma conjunta con el de petroquímica.
A continuación es necesario realizar un estudio de los consu­
mos de energía en esta industria.
III, 3, PRINCIPALES CONSUMOS DE ENERGIA 
EN REFINERIA Y PLANTAS PETROQUI­
MICAS.
Los consumos energéticos que tienen lugar en las refine­
rías y plantas petroquímicas se derivan de una serie de factores, los cua­
les estudiaremos a continuación.
La energía que se utiliza para llevar a cabo las transfor­
maciones en refinerías y plantas petroquímicas, puede ser de deferentes ti­
pos, : ia energía electrice, LítonfK^iV'f.iíiic?. o l c . Para conocer Si con­
sumo que se tiene do astas energías en este industrio o para establecer com­
paraciones con otras plantas del mismo tipo, es necesario conocer la estruc­
tura del consumo energético de dichas plantas. Por lo que se estudiaran los 
factores que influyen en los consumos energéticos de una industria a lo lar­
go de su operación. Asimismo se podrá notar lo difícil que resulta estable­
cer una fórmula o sistema que permita realizar comparaciones en forma cuan­
titativa de las distintas plantas, por lo que en este trabajo trataremos de 
normalizar los ejemplos, aquí expuestos.
Debido a las características que presentan estas indus­
trias, de cuyo proceso obtienen los combustibles que se utilizan para trans­
formar las materias primas, un índice que se aplica es de "Autoconsumo" el 
cual se define por el porcentaje de las producciones propias consumidas para
27
tratar toda la carga procesada. En este sentido, podemos realizar comparado - 
nes, basadas en dicho índice, aunque no tomentos en cuenta otros factores impor­
tantes, por lo que podemos decir que en México las refinerías tienen un índice- 
de autoconsumo del orden del 14% mientras que en Estados Unidos es del lió - - 
aproximadamente.
Esta comparación nos da una idea, do la eficiencia en la - 
utilización de la energía, por lo que es preciso analizar los factores de los - 
cuales depende éste índice. Dichos factores son:
- Capacidad de tef i nación de la instalación, a mayor capaci_ 
dad, menor consumo especTrico.
- Grado de utilización bajo el que se realizan los consumos 
específicos.
- Antigüedad de las instalaciones.
- Esquema de fabricación de la refinería.
Este último factor tiene una gran influencia en los consu - 
iros energéticos, hasta el punto de que papa poder realizar una comparación en -
tro dos o mas refinerías, es necesario que los esquemas de fabricad en sean
simi lares.
Eri la figura # 4, podemos observar la distribución de la -
energía en las diferentes unidades de una planta petroquímica típica, dicha fi­
gura nos proporciona una idea másclara del proceso, el cual esta dividido por- 
un determinado número de operaciones unitarias. Estas operaciones, por su - - 
irreversibilidad en cuanto al proceso, implican la degradación de una cantidad- 
de energía, lo que redunda en un aprovechamiento deficiente de los energéticos, 
por lo que es necesario un balance de energía de cada una de las operaciones - 
unitarias, por lo cual conviene descomponerla en los elementos más simples, y - 
que cada uno de ellos corresponda en una forma definida a la degradación ener - 
gética.
28
Los procesos en los cuales se involucra consumo de energía 
en esta actividad industrial, se reduce a unas cuantas acciones elementales 
como son:
a) Aportar o aumentar la energía de una masa, para modifi­
car su contenido energético y transportar!a a una dis­
tancia dada en un tiempo. 0 modificar su estado.
- Transferencia de energía mecánica, esta se realiza 
en turbinas, bombas, compresores, etc.
- Transferencia ce energía térmica, esta ouede llevarse 
a cabo en hornos, calderas, cambiadotes de color, etc.
b) Fraccionamiento de las mezclas modulares.
- Aportación de energía tenmea: Des i. ñ a c ion s coi ue^so- 
c ion, etc.
- Utilización de agentes selectivos: Extracción, absor­
ción, cambio iónico, etc.
c) Reacciones químicas. En este tipo, es necesario sumíais 
trar energía, a las especies moleculares para que ocu­
rra su transformación, como es el caso de las reaccio­
nes endotérmicas, asimismo, para llevar a cabo la actj_ 
vación de las reacciones exotérmicas, como es el caso 
del cracking, polimerización, isomerización, etc.
Energía Eléctrica
Alternador
Calderas
de
Recup.
Red de vap, 
de alta - 
presión.
i
Alternadores.
Turb i ñas 
Comoresores 
Contraores,
Red de vap. 
de mediana 
presi ón
Red de vap 
de baja 
presión.
Energía mee. 
-bombas 
-compresores 
- sopladores
^ Enero'a térn. 
K -cambiadores 
- torres 
(- reactores
FUENTE: Ahorro y Conservación de Energía en la Industria, Miristerio de Energía e Industrias de España, 1983.
f-1 GU =? A N o 4
Di ag r ama de di sf réuci on cíe e n e r g í a f\5eo
En c¡ siguiente diagrama, se presenta la distribución del « 
consumo de energía en una refinería tipo (figu-a #5), en el cual podemos obser­
var las diversas cantidades y tipos de energía empleados para llevar a cabo la-
r
traéisformasion de 4 x 10 ton./anuales de petróleo crudo. Por lo anteriormente 
expuesto, a continuación se presentan las principales observaciones realizadas- 
en dicha figura:
- El 1% de la electricidad empleada proviene del exterior.
- El sistema de calentamiento consume alrededor de un 65% a
un 70% del total de combustible utilizado para la opera -
ción de la refinería.
- El consumo de energía mecánica es pequeño con r e s D e c t o -
(alrededor de un jOv ) del calor total.
Figura # 5
Consumo de Energía en una refinería tipo
Fuente: Ahorro y Uso Eficiente de la Energía en la Industria. Ministerio de -
Energía e Industrias de España. 1983.
31
Donde:
(1) es 11500 Kw w = energía eléctrica
(2) es 10000 Kw W = energía mecánica
(3) es 42000 th/h LP= vapor de baja presión
(4) es 15000 th/h MP= vapor de mediana presión
Asimismo en la figura # 6, observamos los diversos us d s que 
tiene el calor suministrado por los combustibles en una planta petroquímica y - 
refinería típica.
Figura # 6
V)
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3:
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Z O O
I 40
U S O
R e f o r m a d o c a S a l i t i c o
Destilación a t m o s f é r i c a 
P r o c e s o s de a g o t a m i e n t o
T r e n d e c a l e n f a m ¡ e n t o
Fuente: Economies D 1 Energie en Raffinage et Pétrochimie, Pag. 9, Editado por •
el Institut Francais du Pétrole/1976.
32
Lo que nos proporciona una idea del potencial de ahorro ener­
gético, al utilizar dispositivos apropiados en la recuperación de calor de cas­
cada .
III.3.2. Consumo de energía en diferentes unidades.
Para real-zar an estudio profundo del consumo de los energé 
ticos dentro de una refinería o planta petroquímica es necesario que se intro -- 
Juzca un elemento que nos ayude a comprender la complejidad de dicha planta, - 
este elemento se le denomina "Factor de Complejidad Global", el cual esta 
terizado por el "Factor Individual de Complejidad de los Procesos1, (de Nelson), 
el que se basa en la inversión necesaria que se requiere por unidad de carga - 
tratada en una unidad determinada, con respecto a la inversión equivalente en - 
una unidad de destilación atmosférica. En la tabla # i, se observa este factor 
para las principales unidades de proceso de las refinerías y planUs petroquí * 
mices más comunes.
T a J 1 a S 1
Comparación del grado de complejidad para Ios-
principales equipos de una refinería 
Comparación del grado de comolejidad entre equipos.
** 3otenci¿; Vaoor Calor Eneroía
-Desti1 ación 1 1.0 1.0 1.0 1.0
-Alquilación 11 7.0 2] .6 3.6 6.8
-Coquización 5.5 2.0 2.1 2.8 2.5
-Cracki ng S 3.3 6.0 1.1 3.7
-Desparafi nade 9 35.0 30.0 3.0 9.2
-Idrocracking 6 16.0 0.5 2.3 2.7
-Tratamieno H 1.7 1.5 0.6 0.6 0.6
-Desulfuraciór 3 2.7 0.5 0.7 0.7
-Lubri cantes 64 25 89.0 8.5 23.1
-Reformación 5 2.7 1.5 3.0 2.7
-Flash 1 0.8 1.3 0.7 0.9
** Grado de complejidad.
Fuente: Energy Conservation in Refining and Petrochemistry/1979, Pag. 13.
As i minino, la obtención de dicho Factor Global de Compleji­
dad de las refinerías y plantes petroquímicas, puede calcularse, sumondo los 
factores de complejidad individuales, y asi poder establecer las comparacio­
nes entre los diferentes centros productivos. En la figura $ 7, se muestra 
el porcentaje de autoconsumo de una refinería en términos del grado de com­
plejidad de Nelson.
F I G U R A # 7
BALANCE DE ENERGIA DE UNA REFINERIA 
% Aut oconsumo
5 10 F a c t o r de c o m p l e j f c j o d
NOTA: La presente gráfica, se obtuvo de la realización de estudios de 28 re­
finerías en los Estados Unidos.
Fuente: Energy Conversión in Refinig and Petrochemical Processes. A. Rojey,
Pág. 135, 1979.
3']
El establecer comparaciones con este índice, entre los dis­
tintos equipos de las plantas, resulta importante, ya que nos permito revisi'a - 
Tizar de una manera práctica, aquellos equipos en los cuales se tienen les ma - 
yores consumos energéticos, con la finalidad de encaminar acciones hacia ellos- 
a fin de poder reducir el consumo de energía.
Lo anterior nos servirá para poder establecer criterios que 
nos conduzcan a perfeccionar los equipos existentes en esta industria. AJemís- 
de establecer y reconsiderar nuevos criterios con la finalidad de evitar las - 
pérdidas en cada una de las unidades del proceso.
111,4, Principales pérdides energéticas en refinerías y 
plantas petroquímicas.
En esta sección se estudiará, la importancia qu3 tienen las 
pérdidas energéticas que tienen lugar en las refinerías y plantas petroquími­
cas, ya que estas representan porcentajes muy elevados del combustible utili­
zado. Dichas pérdidas podemos atribuirlas principalmente a intercambios térmi 
eos que tienen las corrientes con el aire y el agua, utilizados en el proceso 
como medios de enfriamiento o calentamiento* esto hace que sea necesario rea­
lizar un balance global de las perdidas energéticas.
II1.4.1. Balance de energía pérdida en el proceso de 
refinación y petroquímica.
Para comprender claramente las posibilidades de optimización 
de los consumos energéticos ce los sistemas de energía, es necesario realizar 
una clasificación de los diferentes flujos energéticos, entre los que sobre - 
sale el térmico, ya que su nivel de temperatura de utilización permite obser­
var claramente su consuno real y por lo tanto su desperdicio energético.
Asimismo, podemos tomar como ejemplo una planta petroquími­
ca y una refinería típica, en las cuales se utilizan temperaturas del orden de 
los 900°C a 600°C en los reactores de la industria petroquímica, unos 600°C en 
los reformadores catalíticos, destilación al vacio (menos de500°C) en desti­
lación atmosférica no sobrepasa los 400°C; estos niveles térmicos, también son 
utilizados por otros procesos, tales como las unidades de deshidratación y eva
36
Por otro lado, las unidades de lubricantes utilizan tempe­
raturas no mayores de 250°C, y otros procesos de calefacción utilizan tempe­
raturas cercanas a los 100°C. La representación de la utilización de las tem 
peraturas, se encuentra ilustrado por la figura § 8, la cual se aplica a plari 
cas de refinación y petroquímica.
Figura # 8.
poración, utilizadas en estas industrias.
Distribución de los consumos de energía 
térmica en industria de refinación y 
petroquímica.
Fuente: Ahorro y Uso Eficiente de la Energía en la Industria, Pag. 25. Minis­
terio de Energía e Industrias de España, 1980.
37
En la actualidad, fus diversos lugares, dentro de la plan­
ta de utilización de la energía térmica, son en su mayoría independientes u- 
nos de otros, como se puede observar en la figura I 9. A partir de una fuen 
te primaria de energía, generalmente un combustible fósil, se produce la - 
energía térmica de alta temperatura (gases entre 1700°C y 2100°C) que se u- 
ti 1 iza directamente o indirectamente (por medio de un fluido portador do - 
calor).
Es evidentemente ideal, el poder encadenar todas las ope­
raciones en una cascada térmica decreciente, de tal forma que el flujo sa­
liente de un sistema sea la entrada en el siguiente, como se puede ver en 
la figura # 9. Y esto se debe a la complejidad de lograr la interconexión
entre todos los equipos, lo qut es imposible de conseguir practi^americe, >a- 
que es un estado ideal, al que pretenderemos aproximarnos, tanto como sea - 
posible, en este sentido la industria de refinación, por sus caracterís'icas 
es idónea para la utilización de energía en cascada.
Figura # 9
H U V O S A1 u O ' 2 103 \
|U W ' ( V S j
fvTcooÑTthgpp/CfA»
C O V L 'J S lSI O'iJ
| ENERGIA
O U I V T A |
| A 10 C I
l£áLÍu:jáJ
fc~LfA’3c.Tl
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e U f M E T K ' K A 10 C AtRt AGO¿
1J-OOX
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c
600 C
3 W C 
too c
Fuente: Ahorro y Uso Eficiente de la Energía en la Industria, Pag. 25, Mi
nisterio de Energía e Industrias de España, 1983.
38
A continuación, se presenta un esquema del balance estilizado
de los consumos de energía para una planta típica de refinación. Este esquema- 
(figura # 10) muestra claramente cual es la cantidad de energía desperdiciada o 
no aprovechada del total de la energía suministrada al proceso. A estas pérdi­
das energéticas, se le suman las pérdidas de los productos que se generan 
durante el almacenaje, transporte, etc. Dichas pérdidas se estiman en un 10', 
-del total del combustible consumido por la refinería.
zada es una refinería, la partida más importante de 80 a 90% del total, procede 
de combustibles líquidos y gaseosos quemados en hornos de proceso o calderos y- 
el resto a energías eléctrica y mecánica.
Por otra parte, se puede notar que la energía total útil i -
Prod i i c t os ( 5 1 h ) .
tfj.
j :
VeiiiOf (ir th)
Entrada
d e e n e r g í a E n f i i c m i e m o (3 3 th )
Balance energético de una refinería.
Fuente: P. Quiles - Revue . AFTP No. 223-3975, P 57-61.
39
Por lo que estos procesos de calefacción (hornos y calderas) 
son los de mayor nivel térmico y por lo tanto» con mayores pérdidas de encrgia. 
Cualquier mejora introducida en el diseño de estos equipos produce sustanciales 
ahorros; por lo que es necesario se inicien medidas correctivas en el diseño 
de los nuevos sistemas adoptando nuevos criterios de diseño que se reflejen en- 
el uso racional de la energia.
Debido a las razones anteriormente mencionadas es convenien 
te llevar a cabo una descripción de los principales equipos, presentando en fo_r 
ma suscinta las principales pérdidas energéticas en las plantas.
III. 4.1 Hornos.
Genei icuiuenie, tí o Ir ausferencia uu ener-jia (ue
un combustible a un fluido de trabajo) se realiza en un horno o una caldera, - 
por lo que es difícil definir de forma concreta la acepción de horuo debido a - 
la multiplicidad de fines a que el mismo sirve. En unos casos se entenderá co­
mo horno, la instalación dende se tranforma la energía química de un combus ti - 
ble, o la energía eléctrica, en calor que se utiliza para aumentar la temperatjj 
ra de aquellos materiales depositados en su interior y darles el estado necesa­
rio para su futuro tratamiento. Otras veces, la denominación horno, define un- 
dispositivo donde mediante la aplicación de la energía térmica, se realizan una- 
serie de transformaciones fisicoquímicas aue varían la composición y estructura 
de la carga alimentada. En este caso, actúa como reactor a temperatura elevada 
y su concepción vendrá definida por la naturaleza de dichas transformaciones.
En todos los casos la acepción de horno está intimante ligada al proceso que en 
él se realiza.
40
Por lo que podemos decir que los procesos que se realizan - 
en la zona de trabajo de un horno son múltiples y pueden agruparse en las si — 
guientes formas:
- Transformación de energía química o eléctrica en calor.
- Intercambio de calor en las fases sólidas, liquido y qa - 
seosa.
- Transformaciones fisicoquímicas de materiales seenfabrica 
dos.
- Movimientos de materiales sólidos o gaseosos.
Para llevar a cabo el estudio de los hornos, es nícisario - 
que se realice» para cada uno de los diferentes procesos, en que toma parte, un 
üiiálisis i-|Ut ei> tu úi r t í C Í u n i e i i l e r si cu-i ü n ¿ » C ¡ C u u i o i unción hjüh_. . , be i un
tiendo mejorar su conocimiento y centrarnos en lo; desperdicios energéticos ge­
nerados por ellos, para poder corregir sus desviaciones.
Debido a las características que presenta esta industria» -- 
se estudiarán los hornos por combustión, ya que este tipo es el utilizado. Em­
pezaremos por los combustibles, ya que estos proporcionan distintas cantidades- 
reales de calor, debido a su poder calorífico efectivo en las condiciones partí 
culares en que se realiza la combustión, considerando a las reacciones que tie­
nen lugar durante la combustión, este factor aunque de gran importancia, no - 
es el único que debe valorarse en un estudio del aprovechamiento de calor en - 
los hornos, por lo que es necesario contemplar otros factores tales como: tem - 
peratura de flama, calor útil, cantidad de energía perdida(por los gases de la-
41
combustión» transferencia de calor en las paredes, enfriamientos, vida útil del 
equipo» etc.).
Lo anterior da pie a la realización de un estudio detallado
de estos factores.
IIí.4.1.1.a Temperatura de Flama.
La temperatura que se puede alcanzar en una combustión, no- 
depende solamente del pode^ calorífico del combustible, sino de la forma de rea_ 
Tizar la combustión; por lo que en términos generales se pueden indicar los si­
guientes factores que influyen sobre la temperatura de flama.
1.- Poder calorífico efectivo del combustible, que üepcndc- 
de la temperatura real de operación, ya que esta determina el equilibrio entre- 
las diversas reacciones que se producen durante la combustión.
2.- El porcentaje de gas, inerte, normalmente nitrógeno, - 
que acompaña al oxígeno en la combustión, provoca al disminuirlo, usando aire - 
enriquecido, una reducción del calor absorbido por los gases, aunque el casar - 
total producido no varía la temperatura sera elevada.
3.- La temperatura de los combustibles y comburentes al 
iniciar la combustión se le adicionará su calor sensible al poder calorífico - 
del combustible, elevando la temperatura de los gases, y por lo tanto influyen­
do en el consumo de los energéticos.
Asimismo, podemos decir que la temperatura de flama indica 
la máxima temperatura que puede alcanzar el honro, la cuas podemos - - - - - -
42
demos identificar mediante el diagrama criUIpia-temperatura con el cual se 
calcula la temperatura en una combustión ddi aba tica. Una vez establecido 
el equilibrio termor'inámico,en base a una reacción estadística existente 
entre el valor calorífico neto de los combustibles. Los requisitos de aire 
de combustión y el volumen do gases producidos. También considera que a - 
iguales entalpias de productos de combustión húmedos, les corresponde igua­
les temperaturas.
El diagrama ontalpid-temperatura (figura # 11), muestra 
la relación entre la entalpia y la temperatura para diferentes cantidades 
de aire y en los gases de combustión, teniendo en cuenta el exceso de aire 
utilizado, la entalpia del aire precalenfado y el efecto de la disociación 
del dióxido de carbono y el agua por encima de 1500 °C este diagrama es va­
lido para un rango de temperaturas ent^e 100°C y 2500°C.
La entalpia total de los productos de combustión por 
unidad de volumen pueden calcularse mediante la ecuación:
1 (CN + AE, + E„) a O
v
Donde:
Lt = Entalpíd total a 0°C de los productos de combustión húmedos por uni­
dad de volúmenes de estos gases.
V ~ Volumen de los gases de combustión en base húmeda y condiciones norma­
les, incluido el exceso de aire por unidad de combustible.
Vo = Valor estequiométrico de V.
A = Volumen del aire de combustión en condiciones normales, incluyendo el 
exceso de aire, por unidad de combustible.
43
El utilizar en los hornos temperaturas altas de flama, pre­
senta una ventaja,que se muestra claramente si se considera el concepto de ca - 
lor útil. Este puede adicionarse al calor sensible cedido por el gas desde su 
temperatura T2, hasta la temperatura final de la carga que calienta, T, , Cuan­
to mayor sea la temperatura del gas, mayor será el porcentaje de calorías, de - 
las totales, que se utilizan en calentar la carga. A partir de los datos de - 
calor específico puede representarse gráficamente la fracción útil de calor to­
tal a T°C, siendo un medio cómodo de comparar combustibles o condiciones de 
combustión.
b . l . Reacciones en el horno.
las reacciones producidas por los gases se combustión, ai - 
quemar un combustible contienen dióxido de carbono y oxígeno, entre otros com - 
puestos, los cuales pueden reaccionar con los metales, produciendo pérdidas p o r 
tanque superficial, lo que genera una serie de problemas técnicos en el horno , 
con lo que disminuye notablemente su eficiencia.
Estas dificultades, pueden evitarse calentando en una at - 
mósfera de composición controlada, pero siempre y cuando se tenga la seguridad- 
de que dicha atmósfera es la adecuada para el metal del horno
Por lo que es necesario realizar un estudio de las pérdidas 
que tienen lugar en los hornos, ya que estos manifiestan grandes cantidades de­
energía, de la cual una mínima parte la emplean en el proceso; por lo que se gjs 
neran una gran cantidad de pérdidas
III.4.1.1.b CALOR UTIL.
Ao = Valor estequiométrico de A (n-A/Ao)
Cn = Valor calorífico neto por unidad de combustible ( 1 Kg o 1 M en condi 
clones normales ).
Ea = Entalla del aire seco alimentado, por unidad de volumen, en condiciones 
normales.
Ec = Entalpia del combustible (sólo calor sensible por unidad del mismo)
Los valores de A y V ron A=n; V = Vo + (A-Ao), y los val o 
res de Vo y Ao pueden obtenerse en función de Cn a partir de las fórmulas que 
se presentan en el siguiente cuadro.
Valores estequiométricos de diversos combustibles
Tipo C O '- t .t j—lO ’OS K V
S ó lid o s
C s < 2 3 .26 M J /kg 
C N > 2 3 .2 6 MJ Ktj
0.2-12 C . . - I 0 ,5 
0 242 C N + 0 55
0 ,2 1 1 C s + 1 .65 
0 240 C s + 0 .9
L íq u id o s 0 ,2 04 C N + 2.0 0 .2 6o C s
G a s e o s o s
G as de s ito horno
G as pobre
M ezc la de c,as a lto 
h o rn o /h o rn o co qu e
G ases ricos
( C N = 11 .2 - 18.7 M J /m 3} 
H ;. C O
C H i ( C n = 35 8 V J/m 3)
O .i lJ C s
o r o s C n
0 .2 56 C v - 0 , 1 6
0 ,2 62 C s - 0 .25
2 ,38
9 .52
0 .1 5 2 C s + 1 
0 ,1 5 4 C s + 1.11
0 249 C s + 0 .7
0 ,3 2 4 C s - 0 .67
2 .8 3
10 .52
Fuente: Ahorro y Uso Eficiente de la Energía en la Industria, Ministerio de
Energía e Industrias de España, 1983.
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45
Figura # 11
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I ',141 BOÍíjjí. ¡.Sai,,? tt)s/K<x,JtJÍ. f j3
Diagrama entalpia-tem peratura para gases de combustión.
Fuente: Ahorro y Uso E fic ien te de la Energía en la In d u s tr ia , M in is te rio de - 
Energía e Industria de España, 1983.
46
Los valores de Cn se encuentran en diversas referencias tales 
como Technical Data on Fucí > mientras que para e! cálculo de Ec se requiere 
conocer el calor específico medio dentro del rango de temperaturas de preca- 
lentamiento,valor que se puede encontrar en la misma referencia.
A partir de estos datos puede calcularse el valor de E-,-, pa 
ra los gases de combustión, siendo el porcentaje de aire en dichos gases:
100 ( n - 1 ) / ( m + n - i )
donde m es el valor de Vo/Ao para el combustible utilizado. En la figura # 11 
se representan los valores de la temperatura adiabática de i a flama (tempera­
tura de los productos de combustión) en función de la entalpia de los ptoduc- 
tos de combustión (E-j para diferentes porcentajes de aire er, ios gases ae sa_
1 i da.
En este mismo diagrama puede obtenerse, conociendo la tempe­
ratura de salida de los gases de chimenea y utilizando Tf misma línea de por­
centaje de aire, "la pérdida de calor en la chimenea, expresándola como un por 
centaje de Ej calculado. Estas operaciones pueden igualmente utilizarse para 
determinar los calores recuperados en calderas auxiliares, recuperadores, etc. 
si se conoce la temperatura en esos puntos.
Como conclusión de lo anteriormente expuesto se deduce que 
la combustión debe realizarse siempre a la temperatura más alta posible preca^ 
Tentando el aire, ya que asi* se reduce la irreversabili dad del proceso de com 
bustión.
47
C.l. Perdidas de cal^r sensible en los gases de combustión
En la zona de radiación do los ciases de la combustión se al­
canzan temperaturas que varían de 800 °C a 1000 UC por lo que la mayor inci­
dencia en las pérdidas por gases de combustion, se deben a el exceso de a ir» 
de combustión, aunque también existen otros factores (como el nivel de cor-* 
ga), cuya contribución a las variaciones de rendimiento de un horno son apre- 
ciables, por lo que es preciso tomarlos en cuenta al estudiar las posibles 
mejoras, por que de ellos depende también la cuantía de las pérdidas peñera­
das por los gases de la combustión y por las radiaciones en las paredes de 
los hornos, (ver figura # 12),
Variación del rendimiento en función de la cargaal 
horno.
a v v _pr t í s r v x i 
i.FíTim.’T"
Figura i f 12
Fuente: Ahorro y Uso Eficiente de Ta Energía en la Industria, Ministerio de -
Energía e Industrias de España, 3983-
48
C .2. Pérdidas genereJas en los gases de combustión.
Cxceso de aire.
Para asegurar una combustión completa, y debido a las im­
perfecciones inherentes a los sistemas de mezcla Aire-Combustible es p> eClSi 
, utilizar siempre una caniidad de aire en exceso superior a la estequiométri- 
camente necesaria.
Sin embargo, es fácil deducir que este aire en exceso debe 
ser el menor posible. Ya que la mayor dilución con aire de los gases cil¡en­
tes provoca que, por un lado baje la temperatura adiabática de llama, lo que 
ocasiona una disminuci ion de la fracción de calor absorbido en la zona o d ia n­
te que depende fundamentalmente de la cuarta potencia de la temperatura, más 
que la cantidad de gases. Por otra parte, en la zona convectiva aumenta el
rpndimipntn nnr cpt mavnr Ipí \/ o'! Hn Ine coc Hn m m_ ¡ - — ~ — — v- j *- • - ~ ~ ~ ̂ ^ ^ -• -• *- >_ i •
bustión; pero este aumento de rendimiento en la zona convectiva no compensa 
la pérdida de rendimiento de la zona radiante, por lo que los gases salen a 
la chimenea con más temperatura. El rendimiento neto por lo tanto decrece.
Por otra parte, podemos tomar las pérdidas generadas en 
las paredes del horno un valor medio de un 31 del calor total liberado, cen 
lo cual las variaciones del rendimiento basado en el P.C.I. en función de la 
temperatura de los gases de combustión, se presentan en las figuras J 13 y 
14 para cualquier horno o caldera en función de los mismos parámetros de - 
temperatura de gases de combustión y exceso de aire, para combustibles tí­
picos de refinerías y plantas petroquímicas como es el caso de gas y del 
combustóleo.
49
Variación del rendimiento basado 
en el P.C.I. , en función do la 
temperatura de los gases de com­
bustión a diferentes excosos de 
aire, quemando combustólco.
Figura # 13
Fuente: Aiiorro y Uso Eficiente de la Energía en la Industria» Ministerio de -
Energía e Industrias de España, 1983.
Variación del rendimiento en función
de la temperatura de los gases de com­
bustión a diferentes excesos de aire,
Fuente: Ahorro y Uso Fficiente de la Energía en la Industria, Ministerio de -
Energía c Industrias de España, 1983.
50
Las pérdidas generadas en las paredes del horno, como se 
mencionó anteriormente, son mucho menores que Tas que tienen Tugar en Tos ga_ 
ses de combustión, pero son de gran importancia, cuando tratamos de ahorrar 
energía. Por lo que podemos caTcularlas para introducirlas dentro de nuestro 
.balance energético . Asimismo podemos ver que los requerimientos de calor 
útil son inferiores al correspondiente a ia potencia óptima, el rendimiento 
lo podemos expresar con la siguiente ecuación.
r = rc [1-Qp/Qu ( 1/ Q«/Q0 ) - 1 ) ]
en donde:
r0 = rendimiento a Ta potencia óptima
Q0 = pérdidas por Tas paredes a la potencia óptima
Qu = calor útil requerido
Qp = calor útil requerido a Ta potencia óptima
Como podemos observar en esta expresión, una reducción en 
los requerimientos de calor útil o un aumento de Tas pérdidas por Tas pare­
des producen una degradación del rendimiento.
C,3, Pérdidas por radiación en paredes.
Teniendo en cuenta que para un equipo dado, el vaTor absoT]¿ 
to de las pérdidas por las paredes puede considerarse constante, toda dismi­
nución en el vaTor del caTor utiT requerido producirá una pérdida de rendi­
51
miento debido a un incremento del valor relativo de las pérdidas por las pa­
redes .
Las mejoras que pueden introducirse a este rpsnecto, son 
bastante limitadas y se reducen a las acciones encaminadas a la disminución 
del valor absoluto de estas pérdidas, procediendo a un más efectivo a i si a:,'i en 
to de las paredes del horno. Por lo que esta decisión dependerá dei análisis 
económico.
III.4.2. Pérdidas en el intercambio térmico.
El intercambio de calor que sufren las corrientes en una
/
planta petroquímica o refineria son de gran magnitud, lo que ocasiona, por 
lo tanto, pérdidas múltiples en cada uno de los procesos a los que se some­
te la corriente. Por lo que dicha operación puede realizarse, de la %iguien_ 
te forma lo que ocasiona por lo tanto pérdidas múltiples en cada uno de los
p r o c e s o s o í e s c ju ü o s bCnit? l i u <j ¡ u c u i r ' ¡ c ^ i iL c » c o n o b * n C a m b i o G t t s s g s í i s í - " 
guno de los fluidos, transmitiéndoss calor latente, sensible o ambos.
En la práctica industrial se presentan innumerables ejem­
plos de intercambio de calor; basta citar, entre otros, el enfriamiento de 
un fluido de proceso mediante agua, la concentración de una solución con va­
por, la destilación, etc. por lo que es conveniente la aplicación del inter­
cambio calorífico, el cual podemos aprovechar en multitud de procesos enca­
minados al ahorro de energía en plantas industriales; como por ejemplo, en 
la recuperación de calor residual de unos gases de combustión para precalen- 
tar el aire que entra al horno o para producir vapor de agua, el cual pueda 
utilizarse en otros puntos de la instalación para generar un trabajo.
El tratamiento cuantitativo de las operaciones de inter­
cambio de calor se basa, fundamentalmente, en la aplicación de balances tér­
micos y en el concepto de intensidad al paso del calor o resistencia.
52
Un balance calorífico en un inturcambiador expresa que la 
cantidad de calor cedido por el fluido que se enfría o condensa es igual al 
que gana en el mismo tiempo del fluido que se calienta o evapora y represen­
ta el calor total a intercambiar en el equipo en un tiempo dado. El balance 
anterior es rigurosamente cierto sólo en el caso ideal de que las perdidos - 
al exterior fuesen nulas; habitualmente, en la práctica se procure reducir - 
dichas pérdidas a un valor muy pequeño, utilizando para ello un aislante ade 
cuado. Si hacemos la consideración de que dichas perdidas son despreciables 
y suponernos estado estacionario, régimen en el que operan la mayor parte de 
los intercambiadores, el balance de calor se reduce la siguiente expresión:
Me (he, - he*) = (tif? - hf) | Q
O o
donde: Me y Mr representan los flujos más i eos de los fluidos caliente y - - 
frió respectivamente (kg/hr)5 he y hf sus correspondientes encalpies (kcd/kg) 
a la entrada (1) y a la salida (2) y Q es el caudal de calor intercambiado por 
ambos fluidos (kcdl/h).
Por otra parte, el caudal de calor que pasa a través de - 
un elemento diferencial de superficie de intercambio, puede expresarse median 
te la ecuación:
dQ = U da A.T
53
donde ÜT representa la diferencia de temperatura emre los fluidos caliente 
y frió en el elemento diferencial considerado y constituye la fuerza impul­
sora del proceso, mientras que el producto de U.dA corresponde al inverso de 
la resistencia térmica. La magnitud U recibe el nombre de coeficiente global 
de transferencia de calor, como ya es sabido.
Por otro lado, podemos decir que las pérdidas de calor que 
tienen lugar en un proceso petroquímico o de refinación corresponden a la s_i 
guien te distribución de temperaturas.
- un 40% a temperaturas mayores de 120°C
- un 35% a temperaturas de 90°C a 120°C; y
- un 25% a temperaturas menores de 90°C
Por lo que, la optimización energética de los intercambia- 
dores de calor de cualquier proceso es susceptible de realizar por medio de 
cambios que coadyuven al ahorro de energía ya sea en su fase de diseño o bien 
en el equipo ya instalado. El aumentar el a'rea de trasferencia de calor entre
dos corrientes aumenta el calor transferido; pero también es cierto que la
cantidad de calor suplementaria que se consigue al aumentar una unidad de su 
perficie el cambiador, es cada vez menor. Es evidente, por lo tanto, que se 
alcanzará un punto en el que el valor del calor economizado por este procedí 
miento será inferior a la inversión necesaria para poderrealizar esta econo 
mía. Este es un claro ejemplo de optimización técnico-económico, la cual debe 
realizarce para cada equipo al que se someta a un estudio. El ejemplo más ce
54
racterístico cíe este tipo de planteamiento, es el tren de precalentamiento 
de crudo en una unidad de destilación atp©s*6ricak La optimización económi- 
ca actual, basándose en un período de recuperación de capital de tr&s años, 
ha llevado el diseñar equipos, con temperaturas de crudo a la entrada del 
horno (salida del tren de precalentamiento) de unos 10°C mayor las que nor­
malmente se manejaban hace poco tiempo atrás, por 1c que esto significa un 
aumento del 20% de la superficie del tren de calentamiento. El ahorro produ­
cido (al ser menor el consumo de combustible en el horno) para una refinería 
típica, que trata 4 millones de toneladas anuales es superior a los 3500 ton 
de combusto'! eo/año o sea unos 300 x 10 Kcal/hr.
III| 4.3. pérdidas oe energía en e¡ procest oe -
cación de productos.
Es evidente que el principal problema que se presenta,1o 
constituye la elección del equipo adecuado, lo cual condiciona su solución. 
Por ello, es necesario plantear con anterioridad cual es el método de recti­
ficación mas adecuado técnicamente; el siguiente paso en el proyecto es la 
definición de la cantidad y concentración de los productos que resultarán 
de la separación. Cuardo se opera en una instalación ya constituida y cuyas 
características están, por lo tanto prefijadas, es muy interesante replan­
tear la operación, ya que las bases de diseño pueden apartarse notablemente 
de las circunstancias actuales:
Aunque los argumentos señalados pueden parecer obvios,
55
resultan demasiado frecuentes las ocasiones en que se establecen unos condi­
ciones de separación basadas en criterios q¡• e no han sido analizados dentro 
de un esquema global, que contenga, también el estudio de las concentraciones y 
de los porcentajes de recuperación más adecuadas a la aplicación concreta del 
producto. En tal sentido cabe considerar los siguientes casos:
- Productos que var, a verificarse las especificaciones de 
concentración o pureza
- Productos intermedios, cuyas especificaciones responden 
a normas internas.
- Subproductos cuyas especificaciones no están definidas 
estrictamente.
- Substancias residuales.
Como etapa preliminar de la optimización energética en la 
rectificación, se ha de estudiar la influencia de la recuperación de los pro­
ductos y de su pureza sobre las características del sistema de separación, 
como función de las condiciones operativas; presión de funcionamiento y re­
lación de reflujo.
111„. 4.3.1 Optimización de l o pureza de los productos.
L,a optimización de la, pureza de les productos obtenidos 
por medio de una operación de transferencia de materia, a medida que aumenta 
los requisitos de pureza * las fuerzas impulsoras son más pequeñas. Por ello, 
el aumento de una unidad en la riqueza porcentual de los productos es progre­
sivamente más costosa cuanto más próximos están al límite de la pureza abso­
luta.
Conviene tener presente que la mezcla es un proceso irre­
versible y por lo tanto, la dilución para su uso de productos concentrados 
previamente constituye un contrasentido termodinámico. Por estos motivos, de 
de el punto de vista energético debe evitarse la mezcla de productos para al­
canzar las especificaciones.
Para simplificar el razonamiento que se efectúa a conti­
nuación, se caracteriza la rectificación por el factor de separación "S" de­
finido por la ecuación:
s= Y i D/ X i R 
Y j 0/ X j R
A su vez, se calcula el número de platos teóricos según la ecuación de Fer.- 
seke: log Yin/Xi,
Yin/Xjf 
log K i j
Donde los subíndices i y j se refieren a los componentes ligero y pesado, 
respectivamente.
57
Para la rectificación de mezclas ideales, Shiskey propo­
ne las siguientes ecuaciones empíricas;
Y = 0,286 X < 1.825
(a) (b)
1_____ X > 1.825
+ K163
X2
Donde:
log s
V|E log
v _ v c< - 1,68 
A E) 0,32
La ecuación ha sido deducida para una concentración de 
la alimentación del 50%, y una riqueza de componente ligero en el destilado 
igual a la del componente del residuo.
Si no se verifican las condiciones anteriormente señala­
das respecto a las concentraciones de la alimentación, destilado y residuo, 
el valor de Y sería ligeramente superior al que se obtiene de las ecuacio­
nes a y b para una X dada.
58
Si bien la expresión de Shinkey no es adecuada para el di­
seño de columnas de rectificación, resulta muy útil para la optimización de 
sus características a partir del diseño básico ya que relaciona característi­
cas de la separación, las propiedades del sistema en términos del factor de 
separación y de la volatilidad relativa, con la razón entre el caudal molar 
de vapor y el caudal molar de alimentación V/A.
El balance entálpico (ecuaciones 1, 2, 3, 4) teniendo en 
cuenta que V = L0 - D, puede comprobarse la relación entre el consumo ener­
gético en el hervidor, para la separación de un caudal de alimentación dado, 
y el término V/A. Si la alimentación se introduce en la columna líquida a su 
temperatura de ebullición y el destilado y residuo se extraen también como 
líquidos saturados, el consumo energético por cada mol de mezcla a separar,
y despreciando las pérdidas energéticas, esta dado por el producto del cau­
dal molar de vapor en la sección de rectificación por la entalpia de vapori­
zación del destilado.
Qc = (Lo + D) (H j - hd) - (1)
Lo = caudal de reflujo 
H
1 = Entalpia de vapores desprendidos en el piso superior de la columna
Hd = Entalpia del destilado.
Qr = Dhd + Rh^ + Qc - A ha + Qp - (2)
Qr = Dhd + Rhr + Qc - A ha + Qp - (3)
59
Aha = Dhd + Rhr - (4)
Qr = Qc + Qp = (Lo + D) (H, - hd) + Qp - (5)
V (H, - hd) _ V AH vap ~ (6)
Qr = 1 - ---
A A
Así el consumo energético en el hervidor, por unidad molar de alimentación, 
esta dado por:
Qr_ 3.5 log S_________ .AH vap - (7)
(hE)0' 68 ¿K1'68 109 *
para Y A 0.522
Qr = 2.87 log S (hE) 0,32 .AH vap - (8)
1.68 A E log ©< )2 - 1.163 (log S)2
para Y > 0.522 
En el siguiente cuadro, se muestran algunos datos que se 
han calculado según las ecuaciones anteriormente mencionadas y, se manifies­
ta la influencia de la pureza de los productos en el consumo energético de 
la rectificación de la mezcla ideflí de volatilidad relativa media 1.5*
60
EFECTO DE LA PUREZA DEL DESTILADO Y DEL RESIDUO 
SOBRE LAS CARACTERISTICAS DE RECTIFICACION.
Composición de la alimentación: 50" molar, liquida a temperatura 
de ebullición, volatibiIidad relativa media 1, 50.
N rp 10 . 2V _ ... 30 _ . í°- 1
Xa (%) X, (%) S 1=9 0
'i.CO 
3.V7 
3 r,i 
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FUENTE: Ahorro y Conservación de Energía en la Industria
de Energía e Industrias de España, 1983.
M i n i s t e r i o
La variación de la pureza de los productos trae consigo una 
severa influencia al consumo de vapor en el hervidor que es mucho mayor cuando 
la exigencia de pureza se extiende tanto al destilado como al residuo.
6 1
U separación de la mezcla equimplar