Trabajo Práctico 1 -destilación Fraccionada De Crudo De Petroleo 6s14h

UNIVERSIDAD PRIVADA DEL VALLE LABORATORIO DE PETROLEO GAS Y ENERGIAS LABORATORIO DE TERMODINAMICA DE HIDROCARBUROS Práctica Nº 1 DESTILACIÓN DESTILACIÓNFRACCIONADA FRACCIONADA DE DECRUDO CRUDODE DEPETROLEO PETROLEO 1.- OBJETIVO a.- Diferenciar entre un proceso de destilación fraccionada por lotes (discontinua) y una destilación fraccionada continua. b.- Diferenciar la destilación fraccionada con reflujo y sin reflujo. c.- Obtener algunos de los múltiples componentes del crudo del petróleo. d.- Trabajar en un laboratorio de este rubro con las normas de seguridad y condiciones medio ambientales apropiadas. 2.- MARCO TEÓRICO  2.1.- Destilación Fraccionada Este proceso, conocido como rectificación o destilación fraccionada, se utiliza mucho en la industria, no sólo para mezclas simples de dos componentes (como alcohol y agua en los productos de fermentación, u oxígeno y nitrógeno en el aire líquido), sino también para mezclas más complejas como las que se encuentran en el alquitrán de hulla y en el petróleo. La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado en química para separar mezclas (generalmente homogéneas) de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. Algunos de los ejemplos más comunes son el petróleo, y la producción de etanol. Pág.1

 2.2.- Columna de fraccionamiento La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor o entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos" (placas). Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido. La columna fraccionadora que se usa con más frecuencia es la llamada torre de burbujeo, en la que las placas están dispuestas horizontalmente, separadas unos centímetros, y los vapores ascendentes suben por unas cápsulas de burbujeo a cada placa, donde burbujean a través del líquido. Las placas están escalonadas de forma que el líquido fluye de izquierda a derecha en una placa, luego cae a la placa de abajo y allí fluye de derecha a izquierda. La interacción entre el líquido y el vapor puede ser incompleta debido a que puede producirse espuma y arrastre de forma que parte del líquido sea transportado por el vapor a la placa superior. En este caso, pueden ser necesarias cinco placas para hacer el trabajo de cuatro placas teóricas, que realizan cuatro destilaciones. Un equivalente barato de la torre de burbujeo es la llamada columna apilada, en la que el líquido fluye hacia abajo sobre una pila de anillos de barro o trocitos de tuberías de vidrio.

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Diagrama de la destilación fraccionada del petróleo

 2.3.- Funcionamiento La mezcla se pone en el aparato de destilación, que suele consistir en un matraz (u otro recipiente en general esférico), en cuya parte inferior hay unas piedrecillas que impiden que el líquido hierva demasiado rápido. En la boca del recipiente, en la parte superior, hay una columna de fraccionamiento, consistente en un tubo grueso, con unas placas de vidrio en posición horizontal. Mientras la mezcla hierve, el vapor producido asciende por la columna, se va condensando en las sucesivas placas de vidrio y vuelve a caer hacia el líquido, produciendo un reflujo destilado. La columna se calienta desde abajo y, por tanto, la placa de vidrio más caliente está en la parte inferior, y la más fría en la superior. En condiciones estables, el vapor y el líquido de cada placa de vidrio están en equilibrio y, solamente los vapores más volátiles llegan a la parte superior en estado gaseoso. Este vapor pasa al condensador, que lo enfría y lo dirige hacia otro recipiente, donde se licúa de nuevo. Se consigue un destilado más puro cuánto más placas de vidrio haya en la columna. La parte condensada en la placa más cercana al azeótropo contiene gradualmente menos etanol y más agua, hasta que todo el etanol queda separado de la mezcla inicial. Este punto se puede reconocer mediante el termómetro ya que la temperatura se elevará bruscamente.

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3.- EQUIPO Y MATERIALES Y REACTIVOS a.- Un equipo de destilación fraccionada que consta de lo siguiente:

Manto calefactor Balón de 200ml Columna de relleno Anillos Rashing (relleno) Termómetro (350°C) Condensador

b.- Soporte universal c.- 3 Nueces d.- Cubeta hidroneumática e.- 5 probetas graduadas de 50 ml con tapón f.- Cronometro g.- Soporte con graduador de altura h.- 1500 ml de crudo de petróleo Pág.4

4.- PROCEDIMIENTO Para realizar esta práctica nos basaremos en la metodología de la norma ASTM D86, aunque debido a factores externos no es posible realizar la práctica de forma normalizada. A continuación se muestra el esquema del equipo de laboratorio según ASTM D86: D

Condensador

A

B

C a.- Primero cargamos 1500 mililitros de crudo de petróleo al balón de destilación (A), y lo conectamos posteriormente con la columna de relleno (con rashing).Instalamos el manto calefactor (B), enchufar e iniciamos el calentamiento. b.- Postertiormente registramos los datos del ternometro de cabeza (A) y la temperatura de fondo (con la pistola infraroja) iniciales. c.- Pasado cinco minutos controlado con el cronometro se anoto las dos temperaturas, esto se repetirá hasta llegar aproximadamente a 200ºC de TEMERATURA DE CABEZA. d.- Los primeros componentes separados (gases) se recogerán utilizando la cubeta hidroneumática) e.- Los productos destilados (gasolinas y naftas) serán recogidos en diferentes probetas graduadas (C). Pág.5

5.- MEDICIÓN (Datos) Una vez realizado el procedimiento obtuvimos los siguientes datos: Donde: Tc= Temperatura de cabeza Tf= Temperatura de fondo V Dest= Volumen destilado El tiempo se calculo cada 5 minutos. Datos complementarios: Volumen del crudo= 1.5L= 1500ml La composición del petróleo en hidrocarburos es del ENTRE EL 57%-95% 92% Volumen del crudo= 1500ml*0.92=1380ml

Volumen del gas= 30ml

A T= 29°C

¿Por que? Porque a esa temperatura se prende el manto calefactor y aun no sale la primera gota de gasolinas y naftas

Nº

Tiempo

Tc [°C]

Tf [°C]

V Dest

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

13:00 13:05 13:10 13:15 13:20 13:25 13:30 13:35 13:40 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14:25 14:30 14:35 14:40 14:45 14:50 14:55 15:00 15:05 15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35

29.0 29.5 36.0 41.0 50.0 59.0 65.0 73.0 80.0 87.0 94.0 100.0 110.0 120.0 128.0 130.0 135.0 139.0 140.0 141.0 130.0 140.0 142.0 144.0 148.0 154.0 166.0 172.0 180.0 190.0 194.0 198.0

31 41 59 65 79 88 95 104 115 117 121 135 141 150 160 165 170 176 178 181 183 184 188 188 192 194 197 199 200 201 201 201

0 1 30 84 135 212 255 295 330 380 420 470 520 580 615 635 655 670 680 690 700 710 720 725 730 738 752 760 777 790 792 794 Pág.6

6.- CÁLCULOS a.- Se determinaran la cantidad obtenida de cada corte (Porcentaje de destilado): Hidrocarburos ligeros (Hidrocarburos Alifáticos) Con la cubeta hidroneumática se pudo conocer el volumen del gas: v Hidrocarbu ros ligeros  30ml

% Hidrocarburos ligeros 

v Hidro var buros ligeros v Petroleo

% Hidrocarburos ligeros 

v Petroleo  1380ml

* 100

30ml * 100 1380ml

% Hidrocarbu ros ligeros  2.17%

Gasolinas y naftas (Hidrocarburos Aromáticos) Con la destilación con reflujo se obtuvo el volumen de gasolinas y naftas:

% Gasolinas y naftas 

vGasolinas y naftas v Petroleo

vGasolinas y naftas  794ml

% Gasolinas y naftas 

v Petroleo  1380ml

*100

794ml * 100 1380ml

% Gasolinas y naftas  57.54%

Hidrocarburos parafínicos % Hidrocarburos ligeros  2.17%

% Hidrocarbu ros

% Gasolinas y naftas  57.54%

parafini cos

 92  57.54  2.17

% Hidrocarburos parafini cos  32.29%

% comp.del Petroleo en hidrocarbu ros  92%

Residuos % Re siduos  8%

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b.- Realizar un balance de materia en todo el proceso: Suponemos al inicio : % Hidrocarburos Alifati cos 1  2% % HidrocarburosAromati cos 2  20%

Datos : V  1380 ml t  2h 35 min  120.583 % Hidrocarburos Alifati cos 1  2.17% 

 % Concentraciones

% HidrocarburosAromati cos 2  57.54% 

% Re siduo Hidrocarburos Alifati cos 1  0.016% 

F

V ml  D  W  11.44  D W t min

F (% Iniciales de 1 )  % Concentracion 1 / 100 * D

 2

F (% Iniciales de 2 )  % Concentracion 2 / 100 * D

 3

1

Trabajamos con 2 y 3: 11.44(0.02)  0.0217 * D 0.2288  0.0217 * D  2 

12.44(0.2)  0.5754 * D 2.288  0.5754 * D

 3

Sumamos 2 y 3: 

0.2288  0.0217 * D 2.2880  0.5754 * D

2.5168  D * (0.5971) ml D  4.215 min

Reemplazamos D en 1: 11.44  4.215  W W  7.255

ml  Re siduo  min

El volumen destilado según el balance de materia es: D  4.215

ml * 120.5833 min  508.26ml min

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7.- GRÁFICOS Como el volumen del gas destilado es 30 ml a una temperatura de 29°C donde a esta temperatura el volumen de las gasolinas y naftas es 0 ml donde se modificara la tabla de la siguiente manera: Se sumara 30 ml a partir del primer ml que salga de gasolinas y naftas. Se hace esto Para que los cortes sean coherentes.

Nº

T [min]

Tc [°C]

VD gasolinas y naftas

VD gasolinas+VDgas

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155

29.0 29.5 36.0 41.0 50.0 59.0 65.0 73.0 80.0 87.0 94.0 100.0 110.0 120.0 128.0 130.0 135.0 139.0 140.0 141.0 130.0 140.0 142.0 144.0 148.0 154.0 166.0 172.0 180.0 190.0 194.0 198.0

0 1 30 84 135 212 255 295 330 380 420 470 520 580 615 635 655 670 680 690 700 710 720 725 730 738 752 760 777 790 792 794

30 31 60 114 165 242 285 325 360 410 450 500 550 610 645 665 685 700 710 720 730 740 750 755 760 768 782 790 807 820 822 824

a.- Corte versus tiempo

Nº

T [min]

VD [ml]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155

30 31 60 114 165 242 285 325 360 410 450 500 550 610 645 665 685 700 710 720 730 740 750 755 760 768 782 790 807 820 822 824

b.- Corte versus temperatura

Referencias de la curva Hidrocarburos livianos Gasolinas y naftas

Nº

Tc [°C]

VD [ml]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

29.0 29.5 36.0 41.0 50.0 59.0 65.0 73.0 80.0 87.0 94.0 100.0 110.0 120.0 128.0 130.0 135.0 139.0 140.0 141.0 130.0 140.0 142.0 144.0 148.0 154.0 166.0 172.0 180.0 190.0 194.0 198.0

30 31 60 114 165 242 285 325 360 410 450 500 550 610 645 665 685 700 710 720 730 740 750 755 760 768 782 790 807 820 822 824

c.- Grafica de la curva de destilación versus % destilado Tipo Hidrocarburos alifáticos Hidrocarburos aromáticos Hidrocarburos Parafínicos

T [°C] 29 198 400

% Destilado 2.17 59.71 92

7.- Cuestionario 7.1.- ¿Cuál son los componentes obtenidos? Los componentes encontrados son: Hidrocarburos livianos (encontrados a temperaturas <30) =30ml = 2.17% Las gasolinas y natas (encontrados a 30 198) =790 ml = 57.54% 7.2. - Investigar, ¿Qué otros métodos se puede aplicar para identificar con mayor precisión los diferentes componentes del crudo del petróleo? A continuación se dan los siguientes métodos: 1.- CRACKING Muchas veces del petróleo se puede destilar sólo un bajo porcentaje de naftas. Para aumentar dicho porcentaje se utiliza el proceso de destilación secundaria o cracking. El cracking consiste en romper o descomponer hidrocarburos de elevado peso molecular (combustibles como el gas oil y fuel oil), en compuestos de menor peso molecular (naftas). En el proceso siempre se forma hidrógeno y compuestos del carbono. Es muy importante en las refinerías de petróleo como un medio de aumentar la producción de nafta a expensas de productos más pesados y menos valiosos, como el querosene y el fuel oil. Existen dos tipos de cracking, el térmico y el catalítico. El primero se realiza mediante la aplicación de calor y alta presión; el segundo mediante la combinación de calor y un catalizador. Cracking térmico En este proceso, las partes más pesadas del crudo se calientan a altas temperaturas bajo presión. Esto divide (craquea) las moléculas grandes de hidrocarburos en moléculas más pequeñas, lo que aumenta la cantidad de nafta —compuesta por este tipo de moléculas— producida a partir de un barril de crudo. Se usan cargas ligeras líquidas o gaseosas, temperaturas elevadas (800-900 ºC) y presiones bajas. Con el proceso se obtienen principalmente oleofinas a partir de naftas. Cracking catalítico En este caso las fracciones pesadas como el gas oil y el fuel oil se calientan a 500°C, a presiones del orden de 500 atm. en presencia de sustancias auxiliares: catalizadores que agilizan en el proceso. Es por estos catalizadores que el proceso lleva dicho nombre.

Dichos catalizadores realizan una acción selectiva que orienta la reacción de ruptura en un sentido perfectamente determinado, con lo que se evitan muchas reacciones secundarias indeseadas. Los procesos catalíticos más conocidos que han suplantado con mucho a los antiguos procesos térmicos son la técnica de lecho fluidizado y la de fluido catalítico, que usan polvos de gel de aluminio-sílice como catalizadores. En el proceso de lecho fluidizado, se pasa el petróleo a través de un lecho estacionario de partículas sólidas; en el proceso de fluido catalítico, las partículas son móviles y están suspendidas en una corriente de vapores de petróleo a una temperatura de 450 ° a 540 °C, y a una presión de 2,4 atmósferas. La gran ventaja del cracking se puede observar claramente en la siguiente estadística: en 1920, un barril de crudo, que contiene 159 litros, producía 41,5 litros de nafta, 20 litros de queroseno, 77 litros de gasoil y destilados y 20 litros de destilados más pesados. Hoy, un barril de crudo produce 79,5 litros de nafta, 11,5 litros de combustible para reactores, 34 litros de gasoil y destilados, 15 litros de lubricantes y 11,5 litros de residuos más pesados. Esta simple estadística nos muestra que gracias al cracking la producción de nafta puede aumentar considerablemente. 2.- REFORMING Debido a las grandes exigencias de los motores modernos, los cuales necesitan combustibles con alto poder antidetonante, es necesario la reformación de la estructura molecular de las naftas. Las naftas extraídas directamente de la destilación primaria suelen tener moléculas lineales (los átomos de Carbono están dispuestos de manera vertical) por lo que tienden a detonar por presión. Este efecto es muy nocivo para los motores modernos los cuales necesitan una gran compresión. Entonces, el reforming se encarga de "reformar" dichas moléculas lineales en ramificadas y cíclicas. Al ser más compactas no detonan por efecto de la presión. La reformación puede realizarse de dos maneras distintas, mediante calor (lo cual es muy poco usual y se realiza en menor medida; se denomina reformación térmica) o mediante calor y la asistencia de un catalizador (reformación catalítica). Reforming catalitico Se deshidrogenan alifáticos (alcanos) tanto de cadena abierta como cíclicos para obtener aromáticos, principalmente benceno, tolueno y xilenos (BTX), empleando catalizadores de platino -renio -alúmina. Es de gran importancia para elevar el octanaje en las gasolinas sin aditivos antidetonantes. En la reformación catalítica el número de átomos de carbono de los constituyentes de la carga no varía. Por ejemplo, el ciclohexano se transforma en benceno. No obstante, el proceso es algo más complicado. Es posible convertir ciclohexanos sustituidos en bencenos sustituidos; parafinas lineales como el n-heptano se convierten en tolueno y también los ciclopentanos sustituidos pueden experimentar una expansión en el anillo y convertirse en aromáticos. Cuando se emplean naftas pesadas como carga, se forman metilnaftalenos. Al

igual que la desintegración catalítica, la reformación catalítica es una reacción a través de iones carbono.

3.- DESTILACIÓN POR PRESIÓN REDUCIDA La destilación es un proceso destinado a separar líquidos solubles por su punto de ebullición. Luego de la destilación fraccionada o topping se obtiene un material llamado éter de petróleo que también debe ser destilado para su aprovechamiento. El problema es que si se lo destila de la misma manera que el crudo (fraccionada), su punto de ebullición es muy alto y el líquido se quemaría o se evaporaría gran parte del material. La temperatura de descomposición de dicho material es menor que la de ebullición. A los 350° C, las cadenas carbonadas comienzan a descomponerse. Dicha temperatura no alcanza para destilar el material. Por esto se descubrió una solución... “La destilación por presión reducida”. La destilación por presión reducida consiste en disminuir la presión a la que está sometido el líquido a destilar ( la presión normal es de 760 miligramos de Mercurio, la presión a la que se somete es de 40 miligramos de mercurio aproximadamente), de esta manera, su punto de ebullición también disminuye, y al destilar el material no se pierde por evaporación. Luego de la destilación por presión reducida se extraen materiales como el gas oil pesado, los aceites lubricantes (tanto livianos, medianos como pesados), el asfalto (brea), la vaselina, la parafina, entre otros.

7.3.- De acuerdo a la explicación del docente, ¿Cómo se puede convertir el experimento realizado en una operación continua? Sin la presencia de los anillos rashing continua y sin reflujo.

el experimento se convierte en una operación

7.4.- Si se tuviera una destilación fraccionada con reflujo, ¿Cuál es la ventaja comparada con la destilación sin reflujo? Primeramente se explicara sobre los que es la destilación discontinua o fraccionada y la continua: La destilación discontinua se realiza introduciendo la mezcla en una caldera, donde se le aplica calor y los vapores condensados se almacenan en un recipiente. La operación de llenado de la caldera con la mezcla hace que el proceso se realice en lotes. Un ejemplo sería la destilación. La destilación continua, tambien llamada fraccionada, se basa en la alimentación regulable y en continuo de la mezcla a separar, introduciéndola en una columna o torre de destilación, donde se separan los componentes de una mezcla de forma continua en las distintas fracciones, saliendo por la parte superior o cabeza la fracción más ligera o de menor punto de ebullición, por el fondo la fracción más pesada y a diferentes alturas de la columna, las distintas fracciones que se quieren obtener dependiendo de su punto de ebullición. Ventajas y desventajas La única desventaja de la destilación fraccionada es que una gran fracción (más o menos la mitad) del destilado condensado debe volver a la parte superior de la torre y eventualmente debe hervirse otra vez, con lo cual hay que suministrar más calor. Por otra parte, el funcionamiento continuo permite grandes ahorros de calor, porque el destilado que sale puede ser utilizado para precalentar el material que entra. Cuando la mezcla está formada por varios componentes, estos se extraen en distintos puntos a lo largo de la torre. Las torres de destilación industrial para petróleo tienen a menudo 100 placas, con al menos diez fracciones diferentes que son extraídas en los puntos adecuados. Se han utilizado torres de más de 500 placas para separar isótopos por destilación. 7.5.- Al hacer el balance de materia hay perdidas ¿Por qué?

8.- Conclusiones Determinamos Satisfactoriamente los volúmenes y porcentajes destilados de los hidrocarburos livianos e hidrocarburos aromáticos hasta una T=198ºC Hidrocarburos livianos (encontrados a temperaturas <30) =30ml = 2.17% Hidrocarburos aromáticos o gasolinas y natas (encontrados a 30 198) = 790 ml = 57.54% Concluimos que la única desventaja de la destilación fraccionada es que una gran fracción del destilado condensado debe volver a la parte superior de la torre y eventualmente debe hervirse otra vez, con lo cual hay que suministrar más calor.

9.- Recomendaciones Sería recomendable traer un condensador más eficiente para que los volúmenes destilados sean mas exactos. 10.- Bibliografía Páginas de Internet  www.proyectosfindecarrera.com/destilacion3.htm  http://www.enargas.gov.ar/MarcoLegal/Normas/Nag301.pdf  http://www.proyectosfindecarrera.com/Fracionado-del-crudo.htm  http://imagenes.solostocks.com/z1_1887130/destilacion-continua.jpg