Estimación del contenido de compuestos “C7+” en la carga a la Unidad de Isomerización, y de benceno y precursores en la carga a la Unidad de Reforming
Problema
Estimar dos variables claves con la intención de mejorar el control de calidad para los procesos de Isomerización [1] y Reforming (Reformado Catalítico) [2] de la refinería La Teja [3], y prevenir desviaciones que impactarían económicamente en el suministro y ulteriormente, si no se corrigen, pudieran impactar en la calidad de la gasolina del mercado uruguayo.
[1] En la unidad de Isomerización los hidrocarburos livianos de cinco y seis átomos de carbono, de cadena lineal, se convierten en hidrocarburos ramificados. El producto, isomerato, tiene mayor número de octano que la carga a la unidad. El isomerato forma parte de los productos con los que se formulan las gasolinas comerciales.
[2] De la unidad de Reformación catalítica se obtiene una nafta de muy alto octano aumentando la cantidad de hidrocarburos cíclicos en la misma a partir de la nafta separada en el proceso de destilación de crudo. El producto de esta unidad se lo denomina reformado y forma parte de la formulación de las gasolinas comerciales.
[3] Los procesos de la Refinería pueden consultarse en https://www.ancap.com.uy/1855/1/procesos-de-la-refineria.html
Las variables a estimar son:
• Contenido de compuestos “C7+” en la carga de Isomerización.
• Contenido de “Benceno y precursores” en la carga de Reforming.
Estas variables que se quieren estimar son determinadas por análisis de laboratorio, con una frecuencia de tres veces por semana.
Por otra parte, las variables de control de la operación (17 variables), se registran cada 30 segundos.
Objetivo
El objetivo es poder estimar los resultados del proceso (a través de las variables “C7+” en la carga de Isomerización y “Benceno y precursores” en la carga a Reforming) sin tener que esperar los resultados de laboratorio, para poder adelantar el ajuste de las variables de operación.
Fundamento
El impacto que tiene un exceso en el contenido de “C7+” en la unidad de Isomerización, es importante pues compromete la vida útil del catalizador usado para la producción, arriesgando el cumplimiento del suministro de gasolinas a un costo adecuado.
Por otro lado, cuanto menor sea el contenido de precursores de benceno en la carga a Reforming, menor será el contenido de benceno en el reformado y menor será también su contenido en las gasolinas, resultando estas más saludables para su uso, razón por la cual se especifica un contenido máximo de benceno admisible en las gasolinas.
En resumen, con la estimación más cercana en tiempo real del contenido de C7+ en la carga a Isomerización y de precursores de benceno en la carga a Reforming se puede lograr:
• Actuar sobre la operación de la torre anticipadamente respecto a los análisis de laboratorio.
• Asegurarse de no exceder los límites especificados en todo momento.
• Reducir la frecuencia necesaria de análisis de Laboratorio para control.
Datos disponibles
Registros de variables predictoras
Se cuenta con 17 variables para control de la operación, que son registradas cada 30 segundos en el software de historización de datos. Se cuenta con aproximadamente 5 años de registro de datos. Las variables se presentan a continuación diferenciadas por tipo de medidas:
• Presiones: medidas en receptor de cabeza, cabeza y fondo de la torre.
• Temperaturas: medidas en receptor de cabeza; entrada, cabeza, fondo y plato sensible de la torre, y de salida del reboiler.
• Caudales: de carga, reflujo, destilado y fondo.
Registros de variables a predecir
La medición en planta de las 2 variables a predecir se realiza fuera de línea, mediante análisis de laboratorio.
A continuación, se detallan los análisis de laboratorio realizados a cada corriente (flujo) y su frecuencia:
(*) Con los resultados de estos análisis PONA se determinan los valores de las variables a predecir.
• Compuestos “C7+” (Contenido C7 Total). Frecuencia de medición: 3 veces por semana.
• Contenido de Benceno y precursores (suma de benceno (B), más ciclo hexano (CYC6), más metilciclopentano (MCYC5)). Frecuencia de medición: 3 veces por semana.
Se cuenta con aproximadamente 5 años de registro de datos.
Priorización y correlaciones
Las variables que impactan directa y significativamente en los resultados de la operación son la composición de la carga (en particular el contenido de benceno), temperatura del plato sensible (TI-21049), temperatura de salida del reboiler 2105-C (TI-21050), temperatura de cabeza (TIC-21047).
Tienen impacto menor: presión de operación (PIC-21034), temperatura de la carga (TI-21046), niveles (LIC-21022 y LI-21018). La presión de operación no es una variable que se modifique, y para mantenerse en el valor establecido se admite H2 desde el 2209-F si la presión baja, o se liberan gases hacia la antorcha si la presión sube.
Para determinar el contenido de benceno y precursores en la carga a Reforming, con el análisis PONA que se le realiza, se suma el porcentaje de benceno (B), más el de ciclo hexano (CYC6), más el de metilciclopentano (MCYC5); siendo el ciclohexano el de mayor relevancia.
El análisis de laboratorio correspondiente al contenido de C7+ en la carga a Isomerización se denomina “Contendido C7 Total” y la corriente es “CARGA_ISOM_CAB_2102E”.
Formato en que se pondrán a disposición los datos
Los datos se pondrán a disposición en tres archivos .csv que contendrán la información relativa al caso.
• Archivo .csv donde se detallarán los registros de las variables predictoras.
El formato de la información contendrá la fecha-hora (timestamp) del registro, y cada uno de los valores de las 17 variables predictoras del proceso. Aunque se cuenta con un registro cada 30 segundos, serán detalladas cada un minuto.
Ejemplo parcial de archivo:
• Archivos .csv que contendrá los resultados de los análisis de laboratorio para el valor de los Precursores de Benceno en Carga de Reforming, con la fecha-hora del análisis y el nombre del archivo origen de la información del análisis de laboratorio.
Ejemplo parcial de archivo:
• Archivos .csv que contendrá los resultados de los análisis de laboratorio para el Contenido C7 Total, con la fecha-hora del análisis y el nombre del archivo origen de la información del análisis de laboratorio.
Ejemplo parcial de archivo:
Detalle técnico del proceso
Breve descripción
En la Refinería de La Teja, la torre Splitter 2102-E fracciona la nafta desulfurizada de la Unidad de Hidrotratamiento en dos subproductos, uno conocido como gasolina desulfurizada (carga a Isomerización) y otro conocido como nafta pesada desulfurizada (carga a Reforming). En la torre no se dan reacciones químicas.
Los criterios utilizados para ajustar las variables de operación de la torre 2102-E son:
• El contenido de compuestos C7+ debe ser menor que el máximo permitido (1,9% v/v) en la carga a la Unidad de Isomerización.
• El contenido de precursores de benceno (principalmente ciclo hexano) en la carga a la Unidad de Reforming, de forma tal que el contenido de benceno en el reformado (producto de la Unidad de Reforming) no supere el valor solicitado para la elaboración de gasolinas (típicamente 1,2% - 1,5% v/v), para así poder cumplir con las especificaciones de Gasolina Super y Premium (especificación de índole ambiental).
El impacto de una desviación en la calidad de la carga a las unidades de Isomerización y Reforming es elevado, por eso se justifica la realización de análisis componenciales tres veces a la semana aun cuando la operación de la torre es estable.
La operación consiste en modificar el caudal de reflujo (FIC-21018) y el bypass del reboiler 2105-C mediante el TIC-21051 para ajustar a los objetivos buscados. Variar el caudal de reflujo impacta en la separación que se tendrá entre la carga a Isomerización y la carga a Reforming. Por otro lado, variar el bypass del reboiler impacta fuertemente en la temperatura del plato sensible de la torre y por lo tanto en el contenido de benceno en la carga a Reforming. Por ejemplo, si el análisis de laboratorio indica que el contenido de precursores de benceno en la carga a la Unidad de Reforming es mayor al valor solicitado, el operador aumentará el valor del TIC-21051 para que más caudal circule por el reboiler 2105-C, se intercambie más calor, aumente la temperatura del plato sensible (TI-21049), más precursores de benceno se envíen a la parte de arriba de la torre, y por lo tanto se reduzca la cantidad de precursores de benceno en la carga a Reforming.
Actualmente el FIC-21018 no se opera en cascada con el TIC-21047, se usa en modo automático.
El TIC-21051 tiene la posibilidad de ser configurado para establecer la temperatura de salida del reboiler (TI-21050) o del plato sensible (TI-21049), siendo esta última la más utilizada.
Los caudales de extracción de carga a Isomerización y a Reforming se ajustan mediante controladores de flujo (FIC-24002 y FIC-22001 respectivamente). Adicionalmente se cuenta con la posibilidad de enviar, en situaciones puntuales, una fracción de la carga de Reforming a tanque (FI-21020); cuando el valor del LY-21022 (apertura de la válvula tanque) es mayor a 0 es que se está enviando una parte a tanque.
Priorización y Correlaciones
OPCIONAL: Mejora de la calidad de la información usando reconciliación del balance de masa
Adicionalmente para una mejor determinación de las cantidades de producto que se envía a cada destino, se realiza lo que se conoce como reconciliación del balance de masa de la unidad. Esto se hace debido a que los medidores de flujo tienen error, y al alejarse de las condiciones de diseño es necesario corregir la medida indicada por los medidores para poder conocer con mayor exactitud el flujo que está circulando por cada medidor.
Para hacer esta corrección se cuenta con:
• Valores del software de historización de datos:
- Flujos de líquidos y gases
- Presión, temperatura y peso molecular para los gases
- Densidad para los líquidos
• Hojas de datos de cada medidor (en donde se muestran las condiciones de diseño)
Para realizar el balance de masa se definen bloques de forma tal que se conoce todo lo que entra y todo lo que sale de cada bloque, y la cantidad en masa de todas las corrientes de entrada tiene que coincidir con la cantidad en masa de todas las corrientes de salida.
Las medidas mostradas en el software de historización de datos son en volumen (líquido o gas) y en condiciones diferentes a las de diseño, y por lo tanto para hacer el balance deben ser corregidas y convertidas a masa.
Por ejemplo, para la unidad en cuestión se puede definir el siguiente bloque con sus correspondientes medidores de entrada y salida:
La realización, o no, de la reconciliación del balance de masa queda a criterio de los participantes. Es decir, si los participantes entienden que la reconciliación no mejora significativamente el valor de sus estimaciones de propiedades a predecir (“C7+” en la carga de Isomerización y “Benceno y precursores” en la carga a Reforming)), pueden decidir no realizar la reconciliación para las predicciones. La información necesaria para realizar la reconciliación y corrección será suministrada.
Siguen debajo las ecuaciones correspondientes para realizar las correcciones de los medidores de flujo; los valores de parámetros necesarios (por ej. Densidad de operación diseño, PM diseño, etc.) serán provistos en una tabla junto con los demás datos.
Para líquidos:
Caudal corregido = Caudal medido * Factor corrección
Densidad operación real = (0,000001*(Xa+1,8*Xb*(T-15,5))*1.8*(T-15,5)+1)*Densidad a 15°C real
T = Temperatura real en °C
Xa = Si API > 36: -7,282*API-181
Si API <= 36: -3,26*API-326,5
Xb = Si API > 10: -0,003467*API+0,1447
Si API <= 10: 0,0163*API-0,053
API = 141,5*1000/(Densidad a 15°C real) – 131,5
Densidades en kg/m3
Para gases:
Caudal corregido = Caudal medido * Factor corrección
Presión en kg/cm2_g
PM: Peso molecular
