caracterizaciÓn y anÁlisis de crudos de petrÓleo

VIII CAIQ2015 y 3 JASP

AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

CARACTERIZACIÓN Y ANÁLISIS DE CRUDOS DE PETRÓLEO.

COMPARACIÓN DE SIMULADORES

E. L. Ale Ruiz*, L.A. Benitez, J.P. Gutierrez y J. R. Lezama

Facultad de Ingeniería - CIUNSa

(Universidad Nacional de Salta - CONICET)

Av. Bolivia 5150 - 4400 Salta - Argentina

E-mail: [email protected]

Resumen. En la industria, la destilación primaria del petróleo es sumamente

dinámica, esto es debido a que la materia prima y los productos varían

dependiendo de los proveedores y de la demanda del mercado

respectivamente, por lo tanto se deben adecuar las variables del proceso

permanentemente. Estas adecuaciones ocasionan serios problemas de

funcionamiento en las plantas lo que puede provocar grandes pérdidas

económicas. Hoy en día se recurre a los simuladores de procesos para

realizar estas adecuaciones a las nuevas condiciones de trabajo, estos

simuladores pueden reproducir cada vez con mayor precisión la operación

de una planta industrial tanto en estado estacionario como dinámico. La

selección adecuada de los modelos termodinámicos en la simulación de

procesos es absolutamente necesaria como punto de partida para la

simulación de procesos precisos. La optimización de un proceso en términos

de selección de equipos, configuración y operación no tiene valor si el

proceso de simulación se basa en modelos termodinámicos no adecuados.

En el campo de la simulación de la refinación de petróleo el punto de partida

es la carga de las curvas de destilación TBP o ASTM y, la posterior

caracterización y análisis del crudo de petróleo. El presente trabajo consiste

en comparar las ventajas, dificultades y resultados, de la carga de las curvas

de destilación, caracterización y análisis de distintos crudos de petróleo, con

simuladores comerciales Aspen Hysys V8.6 y Aspen Plus V8.6, de los

* A quien debe enviarse toda la correspondencia

VIII CAIQ 2015 y 3JASP

AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

cuales la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Salta posee

la licencia. En este trabajo, se emplea un reporte de la compañía Statoil. El

crudo analizado es originario del yacimiento de Njord, en la región nórdica

de Europa.

Palabras clave: HYSYS, ASPEN, PETROLEO,

CARACTERIZACION.

1. Introducción

Para modelar un proceso que involucre petróleo es necesario conocer o al menos

estimar las propiedades del mismo. La determinación exacta de la composición del

crudo no es posible debido a la enorme cantidad de componentes que integran la

mezcla. En su lugar, es práctica generalizada caracterizar el petróleo por medio de una

curva de destilación (temperatura frente a porcentaje acumulado de líquido destilado)

realizada de acuerdo a procedimientos estandarizados por normas.

En base a las curvas de destilación, se emplean correlaciones existentes para estimar

las propiedades físicas del petróleo a partir de las temperaturas que conforman la curva

de destilación.

El crudo puede ser modelado como un grupo de componentes hipotéticos cuyas

propiedades dan forma a la curva de destilación. La incorporación de mediciones

experimentales adicionales, la densidad, o la viscosidad en función del porcentaje

acumulado de líquido destilado, generan nuevas curvas que permiten refinar las

estimaciones para el crudo. Por lo general la densidad se miden para el volumen total de

la muestra. (Speight, 1998)

1.1. Caracterización del petróleo

La destilación de petróleo en laboratorio es de gran utilidad en el refinamiento y

formulación de combustibles (J.P. Wauquier, 1998). Tres de los ensayos más

importantes son: la curva de destilación ASTM (la más difundida), la TBP (True

Boliling Point) y la EFV (Equilibrium Flash Vaporitation). En base a alguna de ellas se

realiza la caracterización del petróleo.



La caracterización del crudo consiste en encontrar sus distintas temperaturas medias,

el peso molecular, el factor de caracterización K, temperatura, presión crítica y el factor

acéntrico.

1.2. Análisis del crudo

Del mismo modo que el ensayo de destilación se traduce gráficamente por una curva,

el resto de los análisis que se realizan sobre el crudo son susceptibles de ser

representados gráficamente.

Existen tres tipos clásicos de representación gráfica de un crudo, las curvas de

propiedades instantáneas, las curvas de propiedades-rendimientos y las curvas de

isopropiedades. Dentro de las curvas de propiedades – rendimientos están las curvas de

propiedades de porcentajes medios (MID%).

El obtener las distintas curvas de destilación de un crudo de petróleo, su

caracterización y análisis, lleva mucho tiempo de trabajo.

Con los simuladores la obtención de las distintas curvas de destilación, la

caracterización y análisis sólo tarda lo que se tarda en cargar los datos.

2. Paquetes termodinámicos de AspenTech

AspenTech utiliza el concepto de “paquete termodinámico” o “Fluid Package” (FP)

como el contenido de toda la información necesaria para desarrollar cálculos de

propiedades físicas, termodinámicas y de transporte.

El FP permite definir toda la información (propiedades, componentes, componentes

hipotéticos, parámetros de interacción, reacciones, datos tabulados, etc) dentro de un

archivo muy sencillo. Dicho paquete consiste en un modelo termodinámico para el

cálculo de las propiedades, especialmente para el equilibrio líquido-vapor (ELV). Son

tres las ventajas de esta situación:

1. Toda la información asociada se define en un único bloque, lo que permite la

fácil creación y modificación de la información.

2. Los FP pueden almacenarse como un archivo completo para usarlos en cualquier

simulación.

3. Pueden usarse varios FP en una misma simulación. Sin embargo, todos los

paquetes definidos se encuentran dentro del administrador básico de la simulación.



Las propiedades termodinámicas involucradas en cada FP son:

• Los coeficientes de equilibrio

• Entalpía

• Entropía

• Energía libre de Gibbs

• Volumen

Las propiedades de transporte son:

• Viscosidad

• Conductividad térmica

• Coeficiente de difusión

• Tensión superficial

Los paquetes disponibles en los productos de AspenTech son:

• Métodos Ideales

• Métodos de la Ecuación de Estado

• Métodos del Coeficientes de Actividad

• Métodos para Sistemas Especiales

AspenTech cuenta con dos de los simuladores de procesos mas relevantes en la

actualidad para la industria química, estos simuladores son Aspen Plus y Aspen Hysys.

Cada simulador recomienda el método más adecuado para cada uno de los procesos a

estudiar, esta información se puede conseguir consultando el asistente que cada

programa trae incorporado. Para acceder a él se utiliza, luego de seleccionar los

componentes presentes en la simulación, el Assistant – Property Method Selection

(APMS). Más adelante en el presente trabajo se describe la forma de acceder al APMS.

Resulta llamativo que al hacer uso del APMS en los dos simuladores y eligiendo

crudo de petróleo como componente para un proceso de destilación primaria o topping,

estos simuladores sugieren dos paquetes termodinámicos distintos; Aspen Hysys

propone utilizar Peng–Robinson y Aspen Plus propone el uso de Chao–Sea. Debido a

esta diferencia se propone estudiar estos dos paquetes termodinámicos dentro de las

particularidades de cada simulador. (Ale Ruiz, Benitez, & Gutierrez, 2012)



3. Aspen Plus

Aspen Plus es un ambiente para el modelado de procesos, que incluye el diseño

conceptual, optimización y monitoreo de la performance de industrias de polímeros,

metales, minería y petroquímica. La nueva versión de Aspen Plus es más sencilla de

usar gracias a su nueva interface rediseñada para el mejor acceso a las herramientas de

las cuales dispone el software. La aplicación cuenta con la mayor base de datos

disponible a nivel mundial para componentes puros y datos de equilibrio de fase.

(AspenTech, Totorial Manual Aspen Plus V8.6, 2015)

Se realizó la carga de la curva de destilación TBP tomando como base un crudo

originario del yacimiento de Njord, en la región nórdica de Europa, utilizando como FP

primero el recomendado por el simulador, es decir Chao–Sea y luego utilizando Peng

Robinson como FP. Para hacer la comparación de FP no sólo se realizó la

caracterización del crudo de petróleo sino también la simulación de un simple proceso

de calentamiento en un horno, que es la operación unitaria necesaria antes de ingresar a

una torre de destilación atmosférica de petróleo (topping).

3.1. Curvas de destilación

El simulador realiza la transformación de la curva TBP en ASTM D86, ASTM 1160

al vacío, los métodos que ASPEN PLUS utiliza por defecto son los que se observan en

la figura 1.



Fig. 1. Métodos utilizados por ASPEN PLUS para la transformación de curvas de

destilación.

Como se observa en las figuras 2 y 3 las curvas de destilación para los dos FP son

iguales.

Fig. 2. Comparación de la curva de destilación ASTM D86 para los dos FP

Fig. 3. Comparación de la curva de destilación ASTM D1160 para los dos FP

3.2. Caracterización del crudo de petróleo

Al cargar la curva de destilación, luego de hacer “correr” el simulador, se obtienen

las tablas de propiedades, como ser: gravedad específica, peso molecular, K UOP,

propiedades críticas y temperatura de ebullición de los pseudo-componentes creados por

el simulador (NBP), figura 4.

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100

°C

% V

Curva ASTM D86

ASTM D86 PENG

ROBINSON

ASTM D86 CHAO-SEA

-200

-100

0

100

200

300

400

500

0 20 40 60 80 100

°C

% V

Curva ASTM D1160

ASTM 1160 PENG

ROBINSON

ASTM 1160 CHAO-SEA



Fig. 4. Pantalla de ASPEN PLUS con las propiedades de los pseudo-componentes

Al igual que se hizo para las curva para los dos FP, no encontrándose ninguna

variación para ninguna propiedad, como ejemplo en las figuras 5 y 6 se pueden observar

la temperatura de ebullición de los pseudo-componentes y de la gravedad específica, las

curvas del resto de las propiedades son similares.

Fig. 5. Comparación de las temperaturas de ebullición de pseudo-componentes

0

100

200

300

400

500

600

700

0 20 40 60 80 100

°C

% V

Temperatura de ebullición de pseudocomponentes

NBP CHAO-SEA

NBP ASPEN PLUS



Fig. 6. Comparación de la gravedad específica

3.3. Ambiente de simulación

Como se expuso anteriormente se realizó una simulación sencilla, un horno de

calentamiento de crudo, al que se le impuso que realice una vaporización del 75%,

figura 7.

Fig. 7. Ambiente de simulación ASPEN PLUS

Se realizó el análisis de todas las propiedades de la corriente de entrada del horno,

CRUDO, simulada con los dos FP, analizándose los respectivos errores absolutos, los

que se pueden observar en la tabla 1. Los datos ingresados para la simulación fueron:

temperatura: 20 °C; presión 1 atm, flujo volumétrico estándar: 100 m3/hr.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 20 40 60 80 100

% V

Gravedad específica

Gravedad especifica CHAO-SEA

Gravedad especifica ASPENPLUS



Tabla 1. Propiedades de la corriente de entrada, CRUDO

Propiedad Unidad Chao-Sea

Peng

Robinson

Error

absoluto

Flujo molar kgmole/h 505,2958 505,2958 0,0000

Flujo másico kg/h 79286,72 79286,72 0,0000

Flujo volumétrico St. m3/h 100 100 0,0000

Act. flujo volumétrico m3/h 100,2381 100,2381 0,0000

Temperatura C 20 20 0,0000

Presión KPa 101,325 101,325 0,0000

Fracción de vapor 0 0 -

Entalpia molar kJ/kgmole -326190 -325180 0,0031

Entalpia másica kJ/kg -2078,812 -2072,38 0,0031

Flujo de calor kJ/h -164820000 -164310000 0,0031

Entropía molar kJ/kgmole-K -1068,979 -1107,358 0,0359

Entropía másica kJ/kg-K -6,812623 -7,057216 0,0359

Densidad molar kgmole/m3 5,040957 5,040957 0,0000

Densidad másica kg/m3 790,984 790,984 0,0000

Peso molecular promedio 156,9115 156,9115 0,0000

Se realizó igual análisis para la corriente de salida del horno, COCIDO, ver tabla 2.

Tabla 2. Propiedades de la corriente de entrada, COCIDO

Propiedad Unidad Chao Seader

Peng

Robinson

Error

absoluto


Flujo másico kg/h 79286,72 79286,72 0,0000



Temperatura C 213,8861 210,5596 0,0156

Presión KPa 101,325 101,325 0,0000

Fracción de vapor 0,75 0,75

Entalpia molar kJ/kgmole -233580 -235070 0,0064


Flujo de calor kJ/h -118030000 -118780000 0,0064

Entropía molar kJ/kgmole-K -862,3062 -875,9878 0,0159

Entropía másica kJ/kg-K -5,495493 -5,582687 0,0159






Cómo se observa los errores son menores que 0,01, excepto en el cálculo de las

entropías para la corriente de entrada, mientras que para la corriente de salida los errores

son mayores en todas los cálculos de propiedades en los que se involucra la

termodinámica, y sobre todo la entropía.

4. Aspen HYSYS

Aspen Hysys es un conjunto de herramientas de modelado de procesos para el diseño

conceptual, la optimización, planificación empresarial, gestión de activos y el monitoreo

de procesos de producción de petróleo y gas, procesamiento de gas, refinación de

petróleo e industrias de separación de aire. El software provee un interesante ambiente

para la simulación de columnas de destilación, muy flexible y fácil de usar. Aspen

Hysys provee a la industria del refino de petróleo la herramienta de modelado multi-

unidad conocida como Aspen Hysys Petroleum Refining (Refsys), la cual permite

integrar librerías de datos, ampliar el conjunto de propiedades de las corrientes de

petróleo y la posibilidad de selección del mejor crudo, planeamiento y timing de las

operaciones. (AspenTech, 2015)

Se realizó la carga del mismo crudo que para el simulador Aspen Plus, utilizando

como FP primero el recomendado por el simulador, es decir Peng Robinson y luego

utilizando Chao-Sea como FP. Para hacer la comparación de FP no sólo se realizó la

caracterización del crudo de petróleo sino también la simulación de un simple proceso

de calentamiento en un horno, que es la operación unitaria necesaria antes de ingresar a

una torre de destilación atmosférica de petróleo (topping).


El simulador realiza la transformación de la curva TBP en ASTM D86, ASTM 1160

al vacío, los métodos que ASPEN HYSYS utiliza por defecto son los que se observan

en la figura 8.



Fig. 8. Métodos utilizados por Aspen HYSYS para la transformación de curvas de

destilación.

Como se observa en las figuras 9 y 10 al igual que para Aspen Plus las curvas de

destilación para los dos FP son iguales.

Fig. 9. Comparación de la curva de destilación ASTM D86 para los dos FP en Aspen

HYSYS

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100

°C

% V

Curva ASTM D86

ASTM D86 CHAO-SEA

ASTM D86 PENG

ROBINSON



Fig. 10. Comparación de la curva de destilación ASTM D1160 para los dos FP en

Aspen HYSYS


Al cargar la curva de destilación, se obtienen las tablas de propiedades, como ser:

gravedad específica, peso molecular, K UOP, propiedades críticas y temperatura de

ebullición de los pseudo-componentes creados por el simulador (NBP), figura 11.

Fig. 11. Pantalla de Aspen HYSYS con las propiedades de los pseudo-componentes

Al igual que se hizo para Aspen Plus se compararon las propiedades para los dos FP,

no encontrándose ninguna variación, como ejemplo en las figura 12 se puede observar

la temperatura de ebullición de los pseudo-componentes, las curvas del resto de las

propiedades son similares.

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100

°C

% V

Curva ASTM D1160

ASTM D1160 CHAO-SEA

ASTM D1160 PENG

ROBINSON



Fig. 12. Comparación de las temperaturas de ebullición de pseudo-componentes para

Aspen HYSYS


Como se expuso anteriormente se realizó una simulación sencilla, un horno de

calentamiento de crudo, al que se le impuso que realice una vaporización del 75%,

figura 13.

Fig. 13. Ambiente de simulación ASPEN HYSYS


CRUDO, simulada con los dos FP, analizándose los respectivos errores absolutos, los

que se pueden observar en la tabla 3. Los datos ingresados para la simulación fueron los

mismos que para la simulación en Aspen Plus

-200

0

200

400

600

800

0 20 40 60 80 100

°C

% V

Temperatura de ebullición de pseudocomponentes

NBP PENG ROBINSON

NBP CHAO-SEA



Tabla 3. Propiedades de la corriente de entrada, CRUDO


Peng

Robinson

Error

absoluto


Flujo másico kg/h 79360,82831 79360,82831 0,0000



Temperatura C 20 20 0,0000

Presión KPa 101,3249966 101,3249966 0,0000

Fracción de vapor 0 0 -

Entalpia molar kJ/kgmole -330174,9843 -329764,8651 0,0012


Flujo de calor kJ/h -171906302,3 -171692772,9 0,0012

Entropía molar

kJ/kgmole-

K 200,3777294 203,379223

0,0150

Entropía másica kJ/kg-K 1,314591719 1,334283221 0,0150





Tabla 4. Propiedades de la corriente de entrada, COCIDO


Peng

Robinson

Error

absoluto


Flujo másico kg/h 79360,82831 79360,82831 0,0000



Temperatura C 212,6045526 208,1879904 0,0208

Presión KPa 101,3249966 101,3249966 0,0000

Fracción de vapor 0,75 0,75

Entalpia molar kJ/kgmole -239687,3021 -242006,2162 0,0097


Flujo de calor kJ/h -124793699,6 -126001047,1 0,0097

Entropía molar

kJ/kgmole-

K 433,611078 429,3891585

0,0097

Entropía másica kJ/kg-K 2,844734961 2,817036771 0,0097

Densidad molar kgmole/m3 3,40E-02 3,45E-02 0,0137





Cómo se observa los errores son menores que 0,015 para el cálculo de todas las

propiedades.

5. Comparación de los simuladores

Para los simuladores se realizaron las comparaciones con los dos FP, para lograr el

objetivo del trabajo.


Para la curva de destilación ASTM se observa una pequeña diferencia en el rango de

80 – 100 %V, Fig.14. Pero las pendientes de la curva son las mismas.

Fig. 14 Curva de destilación ASTM D86 para Aspen Plus y HYSYS

Fig. 15. Curva de destilación ASTM D1160 para Aspen Plus y HYSYS

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100

°C

% V

Curva ASTM D86

ASTM D86 ASPEN PLUS

ASTM D86 HSYSYS

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100

°C

% V

Curva ASTM D1160

ASTM D1160 ASPEN PLUS

ASTM D1160 HSYSYS



La curva de destilación ASTM D1186 es similar para los dos simuladores, Fig. 15.


Se hizo la comparación de todas las propiedades con los dos simuladores,

obteniéndose diferencias para todas en los puntos inicial y final. Ver Fig. 16, 17, 18, 19,

20 y 21.

Fig. 16. Comparación de las temperaturas de

ebullición de pseudo-componentes

Fig. 17. Comparación de los pesos

moleculares de pseudo-componentes

Fig. 18. Comparación de la presión crítica de

pseudo-componentes

Fig. 19. Comparación de la gravedad

específica de pseudo-componentes

Fig. 20. Comparación de la temperatura crítica

de pseudo-componentes

Fig. 21. Comparación de K UOP de pseudo-

componentes

-200

0

200

400

600

800

0 50 100

°C

% V

NBP HYSYS

NBP ASPEN PLUS

0100200300400500600700800

0 50 100% V

PM HYSYS

PM ASPEN PLUS

0100020003000400050006000700080009000

0 50 100

kP

a

% V

Pcrítica HYSYS

Pcrítica ASPEN PLUS

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 20 40 60 80 100% V

Gravedad específica HYSYS

Gravedad especifica ASPEN PLUS

0100200300400500600700800900

0 50 100

°C

% V Tcrítica HYSYS (°C)

Tcritica ASPEN PLUS

11,5

12

12,5

13

13,5

14

0 20 40 60 80 100

% V

K HYSYS

K ASPEN PLUS



La única propiedad que es muy distinta es la del factor de caracterización K (Fig.

21), en Aspen Plus este parámetro es constante para todos los pseudo-componentes.



CRUDO, con los dos simuladores, analizándose los respectivos errores absolutos, los

que se pueden observar en la Tabla 5.

Tabla 5. Errores absolutos de las simulaciones en Aspen Plus y Hysys para cada FP,

para la corriente de entrada CRUDO

Propiedad

Error absoluto

Chao-Sea

Error absoluto Peng

Robinson

Flujo molar 0,03039 0,03039

Flujo másico 0,00093 0,00093

Flujo volumétrico St. 0,00000 0,00000

Act. flujo volumétrico 0,00261 0,00257

Temperatura 0,00000 0,00000

Presión 0,00000 0,00000

Fracción de vapor - -

Entalpia molar 0,01222 0,01410

Entalpia másica 0,04201 0,04394

Flujo de calor 0,04299 0,04493

Entropía molar 1,18745 1,18366

Entropía másica 1,19296 1,18907

Densidad molar 0,02775 0,02775

Densidad másica 0,00163 0,00163

Peso molecular promedio 0,02859 0,02859

Los errores son iguales para los dos paquetes de fluidos en los dos simuladores.


Los errores observados, al igual que para la corriente de entrada, sin similares para los

dos paquete de fluidos.



Tabla 6. Errores absolutos de las simulaciones en Aspen Plus y Hysys para cada FP,

para la corriente de salida COCIDO

Propiedad

Error absoluto

Chao-Sea

Error absoluto Peng

Robinson

Flujo molar 0,03039 0,03039

Flujo másico 0,00093 0,00093

Flujo volumétrico St. 0,00000 0,00000

Act. flujo volumétrico 0,02753 0,02520

Temperatura 0,00599 0,01126

Presión 0,00000 0,00000

Fracción de vapor - -

Entalpia molar 0,02615 0,02951

Entalpia másica 0,05633 0,05981

Flujo de calor 0,05730 0,06079

Entropía molar 1,50285 1,49018

Entropía másica 1,51765 1,50460

Densidad molar 0,00279 0,00507

Densidad másica 0,02588 0,02367

Peso molecular promedio 0,02859 0,02859

6. Conclusiones

Se realizó un estudio pormenorizado de ambos simuladores y los paquetes de fluidos

Chao-Sea y Peng Robinson, para la caracterización de un crudo de petróleo y los

resultados de una simulación inicial.

Se observa que para cada simulador no se observan diferencias significativas en las

propiedades de los pseudo-componentes, las curvas de destilación ni en las propiedades

de las corrientes de las simulaciones.

Entre cada simulador se observa diferencias significativas en el factor de

caracterización de los pseudo- componentes y en los valores de las entropías molares y

másicas de las corriente de entrada y salida de la simulación.

Se espera continuar este estudio con mas crudos de petróleo y sobre todo crudos muy

pesados y muy livianos.



7. Referencias

Ale Ruiz, L., Benitez, L., & Gutierrez, J. P. (2012). Propiedades termodinámicas para

simulaciones de tratamientos primarios de petróleo. III Congreso Latinoamericano de

Refinación. Buenos Aires: IAPG.

AspenTech. (2015). Totorial Aspen Hysys V8.6. Toronto: Aspen Tech.

AspenTech. (2015). Totorial Manual Aspen Plus V8.6. Toronto: Aspe Tech.

J.P. Wauquier. (1998). El refino de petróleo - Vol 1. Paris: Instituto Superior de

Energia.

Speight, J. G. (1998). The Chemistry and Technology of Petroleum. Third Ed, New

York.

caracterizaciÓn y anÁlisis de crudos de petrÓleo

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