Este documento presenta una propuesta de proyecto de grado para mejorar el sistema de enfriamiento del corte de cabeza de la unidad de vacío I en una refinería. Actualmente, el intercambiador de calor no enfría adecuadamente este corte, por lo que se propone rediseñar el equipo para optimizar el proceso de enfriamiento. El proyecto evaluará el funcionamiento actual, realizará cálculos y simulaciones, y diseñará un nuevo intercambiador que cumpla con las normas y permita una operación continua y flexible

1. UNIVARSIDAD MAYOR DE SAN SIMON
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
PROPUESTADE PERFIL DE PROYECTO DE GRADO
UNIVERSITARIO: Daniel Huascar Muriel Rojas
CARRERA: Ingeniería Química
UNIVERSIDAD: Universidad Mayor de San Simón
TUTOR:Dr. Adhemar Araoz Ramos
FECHA: 31/03/2017

2. ÍNDICE
1. INTRODUCCION
2. ANTECEDENTES
3. JUSTIFICACION
4. IDENTIFIACION DEL PROBLEMA
5. FORMULACION DEL PROBLEMA
6. ALCANCE DEL PROYECTO
7. OBJETIVOS
7.1. OBJETIVO GENERAL
7.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
8. MARCO TEORICO
8.1. EL PETRÓLEO
8.2. INTERCAMBIADORES DE CALOR
8.3. TIPOS DE INTERCAMBIADORES SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN
8.3.1. CARCAZA Y TUBOS
8.3.2. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TIPO PLATO
8.4. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR SEGÚN SU OPERACIÓN
8.4.1. FLUJO PARALELO
8.4.2. CONTRAFLUJO
8.4.3. FLUJO CRUZADO
9. METODOLOGIA
10. RESULTADOS ESPERADOS
11. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
12. CRONOGRAMADE ACTIVIDADES

3. 1. INTRODUCCION
La refinería Gualberto Villarroel es la más grande a nivel nacional, con una capacidad actual de
40.200 barriles de petróleo por día (BPD) [1], realiza la producción de carburantes como diésel,
gasolina, gasolina de aviación, jet-fuel entre otros, así como de aceites lubricantes y grasas de alta
calidad para la distribución y comercialización en los nueve departamentos del país.
La planta de Producciónde Lubricantes Básicos recibeel crudo reducido que seobtiene en la Unidad
de Crudo en la Planta de Carburantes, en la planta de Lubricantes se realizan varios procesos, los
cuales son: Unidades de Vacío I y II, PDA (desalfaltización con propano), Desparafinación con MEK-
Tolueno, Refinación con Furfural e Hidroterminado.
En la Unidad de Vacío I se fracciona el crudo reducido en tres cortes, el fraccionamiento se realiza
en vacío con la finalidad de disminuir la temperatura de ebullición como medio para evitar la
descomposición de los compuestos valiosos. Los tres cortes obtenidos son: por la cabeza, Gas-Oil
que se utiliza como reflujo externo y parte se puede usar para cargar tanques de combustible o para
su recirculación a la Planta de Carburantes como Diésel-Oil; el corte lateral, sirve como producto de
alimentación a un rectificador; y el producto de fondo sirve como producto de alimentación a la
unidad de Desalfaltización con Propano. [2]
Este trabajo se encuentra motivado por la necesidad de realizar una mejora en el sistema de
enfriamiento del corte de cabeza de la unidad de Vacío I (2T-301) en la planta de lubricantes, para
ello se planea realizar una evaluación exhaustiva de la operación del intercambiador de calor (2E-
301) para determinar las posibles causas de su mal funcionamiento y plantear el diseño de un nuevo
equipo que permita mayor disponibilidad.
2. ANTECEDENTES
Tras un relevamiento realizado en la planta de Vacío I durante el mes de diciembre de 2016, se
evidenció que el intercambiador 2E-301 no enfría el corte de cabeza de forma esperada, lo que
podría comprometer tanto el proceso como los equipos que interfieren en él.
Un mal funcionamiento en el sistema de enfriamiento del corte de cabeza de la torre de destilación
(2T-301) tiene efecto directo en los equipos relacionados a su operación. Por ejemplo, la bomba que
se encargada de bombear el gas-oil (2-B-3) del acumulador 2S-301, al acumulador 2A-301 y al
separador 2S-303. La temperatura de diseño de la bomba es de 49 °C (120°F aproximadamente).
Sin embargo, en operación se permite una temperatura de hasta 60 - 65 °C.Operadores de la Unidad
de Vacío expresan que la temperatura puede incrementarse a valores que se encuentran entre 80
– 100 °C, lo cual no es aceptable por ser 84% superior a la temperatura de diseño.

4. Para contrarrestar este efecto, los operadores deben refrigerar las bombas con el uso de mangueras
utilizando agua de enfriamiento proveniente de la torre de enfriamiento (CT-306). Estas acciones
pueden provocar corrosión en el equipo si es que éste no se encuentra debidamente aislado con
pintura anticorrosiva además de no ser una operación normal.
3. JUSTIFICACION
Mediante el desarrollo de este proyecto se plantea elaborar el rediseño del intercambiador de calor
2E-301 que se adecúe y garantice un funcionamiento continuo, confiable y flexible para el proceso.
El presente estudio se realizará para restablecer las condiciones operativas optimizando el control
de temperatura en el circuito de cabeza de la torre de destilación 2T-301. En consecuencia, se
logrará obtener parámetros aceptables de operación de equipos relacionados con la operación de
la 2T-301.
Realizando el rediseño del intercambiador de calor, se espera evitar posibles contratiempos en el
proceso realizado en la Unidad de Vacío I, pues esto significa una gran pérdida económica para la
empresa.
Otro factor a evaluar, es el agua de enfriamiento utilizada en el intercambiador de calor. Las
propiedades fisicoquímicas del agua juegan un papel muy importante en el proceso, se realizará un
estudio acerca de los estándares que debe cumplir el agua a ser utilizada en el equipo y no
comprometer su funcionamiento, pues parámetros fuera de norma ocasionan corrosión y presencia
de incrustaciones en los tubos del equipo.
4. IDENTIFICACION DEL PROBLEMA
El intercambiador de calor 2E-301 no enfría adecuadamente el corte de cabeza de la torre de vacío
2T-301, actualmente logra descender la temperatura de 204 °C a 71 °C (las temperaturas máximas
de diseño son 254 °C a 77 °C).Sin embargo, mediante la hoja de datos se sabe que debería alcanzar
una temperatura operacional de 49 °C a la salida, esto indica que la temperatura está un 45% por
encima de lo normal.
Temperaturas demasiado elevadas en acumuladores y separadores genera bastantes dificultades
al momento de bombear el producto, pues siendo un compuesto volátil y estar a una temperatura
elevada tiende a ocasionar cavitación en las bombas.
Las posibles causas del mal funcionamiento del intercambiador de calor son: operación inadecuada
de la torre de destilación al vacío, una significativa variación en los flujos respecto a los de diseño,
deficiencias de control de presión y temperatura en la torre que en consecuencia no permiten una
destilación adecuada, que el agua de enfriamiento posea propiedades fisicoquímicas fuera de los

5. estándares aceptables y un posible cambio en las propiedades del crudo reducido alimentado a la
torre de destilación.
5. FORMULACION DEL PROBLEMA
Como resultado de la evaluación térmica del intercambiador de calor 2E-301 y seguimiento de la
operación de éste y otros equipos asociados, se pretende demostrar que el diseño actual del equipo
no proporciona el proceso adecuado para cumplircon los requerimientos que exigen las condiciones
actuales de operación.
Por esta razón, se plantea el diseño de un nuevo intercambiador de calor, que sea capaz de operar
continuamente teniendo en cuenta posibles cambios en las variables de operación.
6. ALCANCE DEL PROYECTO
La evaluación térmica del enfriador será realizada para determinar en qué magnitud está
sobredimensionado, y se realizará un rediseño del equipo, de forma que se adapte a las condiciones
de operación presentes para mantener una operación óptima de la 2T-301. El nuevo diseño será
realizado según normas y códigos aplicables por el tipo de equipo, esto con la finalidad de que el
proyecto tenga un mayor valor como posible proyecto a largo plazo. Se realizará la evaluación de
los parámetros fisicoquímicos aceptables del agua de enfriamiento para mantener el buen
funcionamiento del equipo. Se realizarán las memorias de cálculo con la hoja de datos del equipo
así como los balances de materia y energía para el sistema bajo estudio.
7. OBJETIVOS
7.1. OBJETIVO GENERAL
Optimizar el proceso de enfriamiento para obtener condiciones de operación adecuadas y mejorar
el control del circuito de corte de cabeza de la torre de destilación al vacío (2T-301), realizando el
rediseño del intercambiador de calor (2E-301) de la Unidad de Vacío I en la planta de Lubricantes
Terminados de la Refinería Gualberto Villarroel.
7.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
 Obtención de datos para la estimación de propiedades y el cálculo de propiedades del Gas-
oil mediante una revisión bibliográfica que permita encontrar el método más apto para el caso
en particular.
 Optimizarel procesode enfriamiento del corte de cabeza y garantizar el buen funcionamiento
de la unidad, a través del rediseño del intercambiador 2E-301 con las condiciones actuales
de operación.

6.  Con la finalidad de que el trabajo posea una mayor valides y tener un mayor criterio al diseñar
un equipo real, se cumpliránlas normas correspondientes para el diseño de intercambiadores
de calor.
 Validar las estimaciones y cálculos realizados comparando con datos obtenidos mediante
una simulación en el software ASPEN - HYSYS.
 Con el fin de garantizar la integridad del equipo, se realizará la evaluación de parámetros
fisicoquímicos aceptables del agua de enfriamiento para los procesos,de modo que cumplan
con las condiciones establecidas por las normas correspondientes.
8. MARCO TEÓRICO
8.1. EL PETRÓLEO
El petróleo es la fuente de energía más importante en la actualidad, además de ser la materia prima
en numerosos procesos en la industria química, cada yacimiento de petróleo está constituido por
una mezcla de miles de hidrocarburos diferentes, formados por la asociación de átomos de carbono
e hidrogeno, cuyo origen aun es mal conocido.
Existen varios tipos de crudo, estos se clasifican según la predominación de los compuestos
característicos,su clasificación es: crudos parafínicos, crudos nafténicos, crudos aromáticos,crudos
sulfurosos, crudos particulares. [3]
8.2. INTERCAMBIADORES DE CALOR
En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de
un lugar a otro o de un fluido a otro, dicha tarea es realizada por los intercambiadores de calor,
según sus características existen dos tipos de intercambiadores de calor: tubo y coraza y placas. Se
presentan también los intercambiadores de paso simple, de múltiples pasos, intercambiadores de
calor regenerador y no regenerativos. [4]
Como hemos mencionado, un intercambiador de calor es un componente que permite la
transferencia de calor de un fluido a otro, entre las principales razones por las que se utilizan los
intercambiadores de calor podemos mencionar las siguientes:
 Calentar un fluido mediante otro fluido a mayor temperatura.
 Reducir la temperatura de un fluido mediante otro fluido a menor temperatura.
 Llevar a punto de ebullición a un fluido mediante un fluido a mayor temperatura.
 Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío.
 Llevar a punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con
mayor temperatura.

7. La función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos
involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se
transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor
temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos,
el calor es transferido del fluido con mayortemperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse
ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan. [4]
8.3. TIPOS DE INTERCAMBIADORES SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN
Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y
tamaños, la construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las dos siguientes
categorías: carcaza y tubo o plato. [4]
Las características de ambos tipos de intercambiadores de calor son:
8.3.1. CARCAZA Y TUBOS
Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El
flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el
interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubos, el
fluido interno es separado del fluido externo de la carcasa por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se
sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos
Figura 1: Intercambiador de calor de coraza y tubos [referencia]

8. fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace
circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado
de la cáscara. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se
pueden fabricar para soportar presiones más altas que la cáscaradel cambiadorcon un costomucho
más bajo. Las placas de soporte (supportplates) mostradas en figura (1) también actúan comobafles
para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.
[4]
8.3.2. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TIPO PLATO
El intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra en la figura (2), consiste de placas en
lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos se alternan
entre cada uno de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada
una de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente
grande de transferencia de térmica a cada uno de los líquidos. [4]
Por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un
intercambiador de carcaza y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas
proporcionan una mayor área que la de los tubos. El intercambiador de calor de plato, debido a la
Figura 2: Intercambiador de calor de tipo plato [Ref]

9. alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de carcaza y tubos para la
misma capacidad de intercambio de calor.
8.4. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR SEGÚN SU OPERACIÓN
Una de las características comunes que se puede emplear en los intercambiadores de calor es la
dirección relativa que existe entre los dos flujos de fluido. Las tres categorías son: Flujo paralelo,
contraflujo y flujo cruzado. [4]
8.4.1. FLUJO PARALELO
Como se ilustra en la figura (3), existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo
externo o de la carcaza ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al
intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa.
[4]
8.4.2. CONTRAFLUJO
Como se ilustra en la figura (4), se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma
dirección, pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes
extremos. Ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en
el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se
aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más
eficiente que los otros tipos mencionados anteriormente. [4]
Figura 3: Intercambiador de calor de flujo paralelo[ref]

10. Figura 4: Intercambiador de calor de contraflujo [ref]
8.4.3. FLUJO CRUZADO
En la figura (5) se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos
fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos
mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90◦ Los
intercambiadores de flujo cruzadoson comúnmenteusado donde uno de los fluidos presenta cambio
de fase. Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de
vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcaza del
condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y
forma agua líquida. [4]
Figura 5: Intercambiador de calor de flujo cruzado[]

11. 9. METODOLOGIA
 Revisión de manuales de operación y planos de la Unidad de Vacío 1.
 Elaborar una lista de los instrumentos necesarios para tener los datos necesarios para la
evaluación del intercambiador 2E-301.
 Realizar visitas a planta para la verificación de la lista de equipos y recolección de datos.
 Revisión de bibliografía necesaria para elaborar la evaluación del intercambiador de calor y
el posterior rediseño.
 Revisión de normas para el diseño de intercambiadores de calor.
 Mediante el uso de memorias de cálculo en Excel, realizar el cálculo para el diseño del
intercambiador de calor.
 Elaborar la simulación del proceso en HYSYS.
 Toma de muestras del agua de enfriamiento de la torre CT-306 para realizar el análisis de
laboratorio.
 Toma de muestra del producto de cabeza de la torre 2T-301 para realizar el análisis de
laboratorio.
10. RESULTADOS ESPERADOS
Como resultados de este proyecto, el estudiante espera poder aportar positivamente a la empresa
con el rediseño del intercambiador de calor 2E-301, debido a que este es crucial para el buen
funcionamiento de la Unidad de Vacío, que es una parte indispensable en la planta de Lubricantes
Básicos que es la que genera una cantidad considerable de ingresos a la empresa. Se espera
también que el estudiante pueda poner a prueba su conocimiento y capacidad de poder realizar un
estudio de este nivel en una planta real, de la mismaforma el estudiante espera poder aprender más
acerca del funcionamiento de las plantas, equipos y la forma en la que se trabaja en una empresa
de la magnitud de YPFB Refinación.

12. 11. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
[1] www.ypfbrefinacion.com.bo/contenido.php?link=38
[2] Descripción de las unidades que constituyen el Complejo de Lubricantes, Yacimientos
Petrolíferos Fiscales Bolivianos, Refinería Gualberto Villarroel, Ing. Jorge Barrientos, Cochabamba,
Septiembre, 1997.
[3] www.platea.pntic.mec.es/~rmartini/petroleo.htm
[4] Intercambiadores de calor, O. A. Jaramillo, Centro de Investigación de Energía, Universidad
Nacional Autónoma de México, Noviembre 20, 2007.

13. 12. CRONOGRAMADE ACTIVIDADES
META TAREAS 2 9 16 23 30 6 13 20 27 4 11 18 25 1 7 14 21 29 6 13 20 27 3 10 17 24
Planif 50% 50%
Repla 25% 50% 25%
Real 25% 50% 25%
Planif 50% 50%
Repla 30% 40% 30%
Real 30% 40% 30%
Planif 50% 50%
Repla 10% 20% 70%
Real 10% 20% 70%
Planif 100%
Repla
Real 100%
Planif 100%
Repla
Real 100%
Planif 100%
Repla
Real 100%
Planif 50% 50%
Repla
Real
Planif
Repla
Real
Planif
Repla
Real
Planif 50% 50%
Repla 50% 50%
Real 50% 50%
Planif 50% 50%
Repla 50% 50%
Real 50% 50%
Planif 50% 50%
Repla 50% 50%
Real 50% 50%
Planif 100%
Repla
Real
Planif 100%
Repla
Real
Planif 30% 30% 40%
Repla
Real
Planif 100%
Repla
Real
Planif 100%
Repla
Real
Planif 100%
Repla
Real
Planif 40% 30% 30%
Repla
Real
Planif 50% 50%
Repla
Real
Planif
Repla
Real
Planif 50% 50%
Repla
Real
Planif 50% 50%
Repla
Real
Planif 50% 50%
Repla
Real
AGOSTO
Establecer las normas
referentes al proyecto
Revision de normas referentes al proyecto
Listado de normas encontradas
Listado de analisis de agua necesarios para
solicitud a laboratorio
MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO
Solicitud de toma de muestra de agua de la
torre CT-306
Redaccion de plan para la peticion de analisis
en labortorio
Analisis del agua de
enfriamiento
Informe de avane de proyecto
Elaboracion de documento (Ecxel, Word) con
el avance realizado
Presentacion de documento a asesor/tutor de
proyecto para su respectiva revision
Corregir las posibles observaciones realizadas
Capacitacion en manejo de
software ASPEN HYSYS
Revision de metodos de estimacion
Elaboracion de memoria de calculo en Excel
Comprovacion de metodos de estimacionEstimacion de propiedades
Listado de propiedades medibles
Redaccion de plan para la peticion de analisis
en labortorio
Reunion con personal de laborartorio
Peticion de analisis a
laboratorio
Solicitud de datos de datos operativos a
Lubricantes Basicos
Relevamiento de datos operativos en planta
Recoleccion de datos
operativos
Definicion del sistema de estudio
Informe de avane de proyecto
Elaboracion de documento (Ecxel, Word) con
el avance realizado
Presentacion de documento a asesor/tutor de
proyecto para su respectiva revision
Corregir las posibles observaciones realizadas