Proceso de Remocion de Masa

Profesor:

Ing. Teófilo Allende Ccahuana

PROCESO DE REMOCION DE MASA

Alumna:

Ramírez Inoñan, Giancarlo Luis

Timana Castillo, Ysmael

Geología Y Topografía

Trabajo Grupal Proceso de Remoción de Masa

Introducción

Por remoción en masa se entiende el desplazamiento del material

pendiente hacia abajo por acción de la gravedad, que actúa contra la

fuerza del suelo.

Los procesos de remoción en masa rápidos, son ampliamente

conocidos por sus efectos espectaculares y a veces desastrosos; sin

embargo, los procesos lentos son igualmente importantes, pues

cuando se observa la cantidad de material transportado, ellos

exceden seguramente al primer grupo, son ellos los principales

responsables por el transporte de material en los interfluvios, al lado

de la erosión por escorrentía difusa; que pueden generar grandes

pérdidas materiales e incluso humanas.

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Remoción de Masa

I. Base Conceptual

A. Concepto La remoción en masa, es el desplazamiento de grandes volúmenes de

material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por acción

directa de la fuerza de la gravedad, hasta volver a encontrar un nuevo

punto de reposo.

Normalmente este terreno, en su parte superficial, presenta rocas

fragmentadas por acción de la meteorización física, química o biológica,

sola o combinada así como también puede presentar un estrato superficial

de suelo grueso o delgado con o sin vegetación.

Los movimientos de masa se presentan, sobre todo, en la época lluviosa o

durante una actividad sísmica.

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B. Origen El fenómeno de la remoción en masa se produce porque la fuerza

actuante, en este caso la sobrecarga, que es originada normalmente por el

agua, ejerce una presión hacia abajo que rompe el equilibrio existente

hasta ese momento; la gravedad proporciona la energía adicional

requerida para que se produzca el movimiento descendente.

En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve, la remoción en masa

se origina fundamentalmente por los movimientos sísmicos desde los muy

débiles hasta los muy fuertes quien los mueve de su lugar y luego la

gravedad proporciona la energía adicional para que se produzca el

movimiento descendente.

C. Factores

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Entre los principales factores solos o combinados que influyen en la

remoción en masa, que contribuyen a aumentar el efecto de la gravedad,

se encuentran los siguientes:

litológicos (rocas inconsolidadas sobre rocas consolidadas),

estructurales (meteorización física, química, biológica superficial del

estrato rocoso superficial),

topográficos (laderas con pendientes abruptas)

antrópicos (denudación o deforestación del terreno)

tectónicos (acción de las ondas sísmicas), climáticos (precipitaciones

fuertes o precipitaciones continuas).

a) Litológicos Ocurre remoción en masa cuando el material superficial se encuentra

suelto y puede ser removido con facilidad en una ladera por efecto de la

presión de una cantidad de agua, necesariamente si bajo este material

superficial existe roca consolidada e impermeable.

b) Estructurales Ocurre remoción en masa cuando en el relieve se presenta grietas o

diaclasas muy juntas, que por efecto de la meteorización física, química o

biológica provocan el desmenuzamiento o descomposición de las rocas,

llegando en algunas ocasiones a producir diversos tipos de deslizamientos.

c)Topográficos Ocurre remoción en masa cuando existen laderas de montañas, de colinas

con pendiente abruptas o de terrenos muy inclinados.

d) Antrópicos

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Ocurre remoción en masa cuando en áreas con pendientes fuertemente

taladas (deforestadas) por el hombre, el material superficial queda

expuesto a la intemperie.

e) Tectónicos Ocurre remoción en masa cuando las ondas sísmicas provocan el

desplazamiento de materiales superficiales o de unidades más

importantes del relieve como puede ser un área accidentada o no.

f) Climáticos Ocurre remoción en masa cuando caen fuertes precipitaciones o caen de

manera continua, provocan deslizamientos sea por aumento de

sobrecarga o por cambios extremos en las temperaturas las cuales

quiebran los mantos rocosos.

D. Estado actual del terreno La remoción en masa puede ocurrir en materiales secos o empapados de

agua. En el primero la gravedad actúa como agente de transporte y en el

segundo, el agua le pone el sobrepeso que facilita la acción de la

gravedad.

La roca subyacente al material o roca superficial, puede actuar como un

sólido plástico o rígido, facilitando u obstaculizando la remoción en masa.

II. Velocidad del Movimiento de Masa

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Los movimientos de remoción en masa son muy variados. Los

geomorfólogos utilizan este criterio de velocidad para clasificarlos en

movimientos rápidos y lentos.

A. Movimientos rápidos Son desplazamientos veloces de materiales sólidos, generalmente su

ocurrencia es de dimensiones catastróficas. Aquí se desarrollan dos

grandes procesos:

1. Los que se originan en pendientes muy fuertes o empinadas

donde ocurre dominantemente caída de fragmentos de roca y

suelos los que se van a acumular en el pie de las laderas

(piedemonte),

caída de fragmentos de roca o suelos.

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2. Los que se producen cuando una masa de grandes proporciones

se desliza en términos de segundos o minutos en forma

aperiódica y discontinua.

hundimientos o desplomes, desprendimientos o corrimiento,

y deslizamiento

deslizamiento de rocas,

deslizamiento de escombros,

deslizamiento de tierra.

flujos de lodo.

Los tipos de movimientos rápidos son:

a) Caída constante de fragmentos de rocas y

suelos Es la caída en forma constante de materiales superficiales por causa

de pendiente abrupta, deforestación, descomposición de las rocas,

donde además no es posible que se desarrolle una sobrecarga.

El material caído se va acumulando al pie de las laderas formando

una nueva geoforma denominada piedemonte, que tiene la forma de

un plano muy inclinado de superficie muy irregular.

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b) Hundimiento o desplome

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Llamado también “falla de pendiente”, es un hundimiento violento

hacia abajo y hacia delante de un manto rocoso y a veces de

material sin consolidar, el que se desplaza a lo largo de superficies

cóncavas, generalmente ocurre en sitios donde una masa rocosa o

de suelos, se apoya sobre un sustrato débil.

Este hundimiento o desplome origina nuevas pendientes, casi del

mismo valor que las que existían antes y preparan el escenario para

un nuevo evento; es decir, desarrollan pendientes muy abruptas.

En lugares donde el clima es sub húmedo, húmedo o muy húmedo,

la presencia de lluvias fuertes o lluvias continuas acelera este

proceso, porque aumenta el peso efectivo de la masa rocosa o de

suelos (sobrecarga) y lubrica los planos donde se produce el

hundimiento o desplome.

Normalmente ocurre cuando el sustrato rocoso (estrato subyacente)

está constituido por arcillas y pizarras.

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c)Desprendimientos Son aquellos movimientos de materiales superficiales que ocurren

encima de un estrato rocoso inclinado.

Estos desprendimientos ocurren pendiente abajo (plano muy

inclinado). Son de dos tipos: el corrimiento y el deslizamiento.

c.1 Corrimiento Es un desplazamiento rápido de una parte pequeña del terreno

que se encuentra con sobrecarga. El recorrido de este

desplazamiento es un trecho corto.

La cicatriz resultante en el terreno afectado es un corte curvo

(escarpe) en el punto en que se inició el desprendimiento

(punto de ruptura).

c.2 Deslizamiento Es un movimiento rápido de grandes masas de materiales. Se

distingue tres tipos de deslizamientos: de rocas, de escombros

y de tierra

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i. Deslizamiento de rocas

Es el resbalamiento de una capa rocosa a los largo de planos

de debilidad. Ocurren en forma repentina y son catastróficas.

ii. Deslizamiento de escombros

Es un movimiento rápido de material detrítico (fragmentos

de rocas), que se desplaza pendiente abajo. Estos

movimientos son frecuentes en laderas con pastos y a lo

largo de pendientes abruptas de los bancos de río y

acantilados de la línea de costa.

iii. Deslizamiento de

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tierra

Se les denomina también como “corrientes de tierra”. Es el

desplazamiento de material terroso (suelo) superficial que

descansa sobre estratos rocosos sólidos. El movimiento de

este material, pendiente abajo, es iniciado al encontrarse con

notable sobrecarga a causa de la sobresaturación con agua.

Ocurre en lugares húmedos con lluvias prolongadas. Su

movimiento es lento. Es frecuente en orillas de vías de

comunicación así como también en orillas de ríos.

d) Flujo de lodo

Aquí se diferencia dos tipos de desplazamiento de material: el flujo

de lodo o “huayco” y el flujo de lahar.

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d.1 Flujo de lodo o “huayco”Es un material conformado por una mezcla de fragmentos de

roca, suelo y agua, que se desprende de las laderas pendiente

abajo, tal como si fuera una masa fluida. Es frecuente en

lugares de climas áridos y semiáridos donde los cursos de agua

nacen en las partes altas de las montañas y desembocan en

ríos colectores que conforman los valles.

En el país se les conoce como “huaycos” y son muy frecuentes

en la serranía durante las temporadas de lluvias.

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En este tipo de movimiento en masa se puede ubicar

también a los “aluviones”.

i. Aluvión

El aluvión ocurre cuando los diques de lagunas ceden o se

rompen. El agua almacenada corre velozmente pendiente

abajo por las quebradas o cursos de agua. Las causas del

rompimiento son: movimientos tectónicos, infiltración, caídas

de grandes masas de hielo.

El agua en su recorrido va incorporando materiales que

elevan la densidad hasta convertirlas en una masa espesa.

La ocurrencia de esta acción, suele ser catastrófica como lo

ocurrido en Ranrahirca y en Yungay.

Aluvión de Ranrahirca

El 10 de enero de 1962 el pueblo de Ranrahirca situado en el

Callejón de Huaylas, fue totalmente arrasado por un aluvión

producido al desprenderse una corniza de hielo del pico

norte del nevado Huascarán.

Esta masa de hielo se transformó en aluvión por el aporte de

agua que se encontraba entrampada en el interior de la

lengua glaciar y los materiales de las morrenas. La nueva

masa en movimiento estuvo conformada por una mezcla de

barro, rocas y grandes bloques de hielo. Las pérdidas

humanas y materiales fueron cuantiosas.

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Aluvión de Yungay

El 31 de mayo de 1970 a los pocos segundos del terremoto

de Huaraz que devastó el Callejón de Huaylas y como

consecuencia del mismo, se produjo un movimiento de

masas con características destructivas.

Este Aluvión cubrió totalmente el pueblo de Yungay y

parcialmente la nueva Ranrahirca, dejando como trágico

saldo decenas de miles de muertos y cuantiosas pérdidas

materiales.

d.2 Flujo de lahar

Es un material conformado por una mezcla de piroclastos

(bombas o bloques, lapilli, puzolanas, cenizas), suelo y agua,

que se desprenden de lugares geológicamente inestables en

torno al volcán, en escombreras activas, en las laderas

escarpadas del edificio volcánico, pendiente abajo, al ser

afectados por las lluvias. Este material es colectado por un

curso de agua mayor quien lo conduce agua abajo, hacia el

valle donde desarrolla una acción desbastadora pudiendo

destruir centros poblados, zonas agrícolas, pecuarias,

forestales entre otras actividades productivas.

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Las flechas señalan la trayectoria seguida por el material saliente y su correspondiente depositación en el cono del mismo. Nótese la pendiente abrupta del edificio volcánico.

Grafico 6. Erupción violenta de un volcán y depositación del material piroclástico.

d.3 Avalanchas

En las avalanchas la falla progresiva es muy rápida y el flujo

desciende formando una especie de “ríos de roca y suelo”.

Estos flujos comúnmente se relacionan con lluvias ocasionales

de índices pluviométricos excepcionales muy altos, deshielo

de nevados o movimientos sísmicos en zonas de alta

montaña y la ausencia de vegetación, aunque es un factor

influyente, no es un prerequisito para que ocurran.

Las avalanchas son generadas a partir de un gran aporte de

materiales de uno o varios deslizamientos o flujos combinados

con un volumen importante de agua, los cuales forman una

masa de comportamiento de líquido viscoso que puede

lograr velocidades muy altas con un gran poder destructivo y

que corresponden generalmente, a fenómenos regionales

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dentro de una cuenca de drenaje. Las avalanchas

pueden alcanzar velocidades de más de 50 metros por

segundo en algunos casos.

El movimiento de las avalanchas se le puede relacionar con

“flujo turbulento de granos”. Este mecanismo no requiere

de la presencia de una fase líquida o gaseosa y el

movimiento se produce por transferencia de momentum al

colisionar las partículas o bloques que se mueven.

B. Movimientos lentos

Son movimientos lentos que actúan en períodos largos y que por

lo general transportan grandes cantidades de material. Son muy

importantes en el modelado de la superficie terrestre.

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Existen varios tipos de estos movimientos, en nos referiremos a la

reptación o resbalamiento, solifluxión y glaciares de roca.

a) Reptación o resbalamiento

Es un movimiento continuo y muy lento de material superficial

compuesto de roca, fragmentos de roca, suelo con o sin

vegetación, solos o combinados, en sentido de la pendiente.

Su velocidad y magnitud aumenta con la presencia del agua de

lluvia o de escurrimiento superficial laminar por el consecuente

aumento de sobrecarga lo que facilita la acción de la gravedad.

Este tipo de movimiento es de común ocurrencia, frecuencia e

intensidad en zonas donde se combinan lluvias abundantes,

pendientes suaves y suelos con nula o muy poca protección.

b) Solifluxión

La solifluxión es un proceso de flujo descendente, lento y en masa.

Se produce bajo condiciones climáticas frías, donde los procesos

de hielo y deshielo se suceden continuamente, y consiste en el

deslizamiento de una masa viscosa de material del suelo

saturado de agua sobre una superficie impermeable. Tiene

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lugar generalmente en vertientes de escasa pendiente.

Cuando la solifluxión cesa, se crean terrazas en forma de lóbulos.

Otros modelados producidos por la solifluxión son placas uniformes

de material arrancado y franjas alternativas de sedimentos toscos

y finos.

c)Glaciares de roca

Los glaciares de roca están formados por masas de hielo

intercaladas con detritos o fragmentos de roca.

Su composición es mayormente fragmentos de rocas angulosos y

de diversos tamaños mezclados con porciones muy variables de

hielo. Se mueven pendiente abajo en el orden de los 0.5 m por

año.

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III. Condiciones que favorecen la Remoción

en Masa

A. Origen del movimiento en masa

Los mecanismos generadores de movimientos en masa se

encuentran relacionados con las siguientes acciones:

cortes en terreno natural inestable sin la debida

protección geotécnica,

desprendimiento o la caída de bloques a partir de

escarpes con pendientes superiores a los 70%,

actividad sísmica,

saturación del suelo por fluidos, e

incidencia de procesos erosivos.

B. Indicadores de una amenaza de

deslizamiento

Los escenarios siguientes son indicadores de amenaza de

deslizamiento:

áreas donde el material rocoso presenta grietas o

fracturas,

áreas abajo de pendientes empinadas o en relieves

topográficos altos,

planos de roca orientados en paralelo con la pendiente

prevaleciente,

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áreas donde los suelos superficiales están compuestos

de material suelto o pobremente compactado,

áreas donde los suelos recaudan grandes cantidades de

agua,

áreas con vegetación mínima para enraizar y fijarla al

suelo.

En el supuesto caso de que un terreno presente uno o más

de estos factores, las posibilidades de ocurrencia de

deslizamientos, son mayores.

C. Riesgos de deslizamiento ocasionados por

la actividad antrópica

Las actividades antrópicas que generan riesgos de

deslizamientos en áreas susceptibles a los fenómenos de remoción

en masa son:

los cortes de carreteras y cortes para construcción de

casas, crean masas inestables de material sin apoyo,

generando pendientes negativas,

construcción de muros sin posibilidad para drenaje.

el agua del suelo retenida detrás de los muros

incrementa la presión en los poros y el peso en el

material retenido, desestabiliza la masa retenida,

remover plantas de raíces profundas desestabiliza el

suelo en una ladera e incrementa el potencial de

deslizamiento,

el mal manejo de aguas superficiales o subsuperficiales

en las laderas a través de la irrigación, o votando las

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aguas residuales sobre ellos,

rellenos en zonas de pendientes y con una pobre

compactación.

IV. CARCTERIZACION DE LOS MOVIMIENTOS

A. Nomenclatura de un talud o ladera

Un talud o ladera es una masa de tierra que no es plana sino que

posee pendiente o cambios de altura significativos. En la literatura

técnica se define como ladera cuando su conformación actual tuvo

como origen un proceso natural y talud cuando se conformó

artificialmente.

Las laderas que han permanecido estables por muchos años

pueden fallar en forma imprevista debido a cambios topográficos,

sismicidad, flujos de agua subterránea, cambios en la resistencia

del suelo, meteorización o factores de tipo antrópico o natural que

modifiquen su estado natural de estabilidad.

Los taludes se pueden agrupar en tres categorías generales: Los

terraplenes, los cortes de laderas naturales y los muros de

contención. Además, se pueden presentar combinaciones de los

diversos tipos de taludes y laderas.

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En el talud o ladera se definen los siguientes elementos constitutivos:

a) Altura Es la distancia vertical entre el pie y la cabeza, la cual se

presenta claramente definida en taludes artificiales pero es

complicada de cuantificar en las laderas debido a que el pie y la

cabeza no son accidentes topográficos bien marcados.

b) Pie Corresponde al sitio de cambio brusco de pendiente en la parte

inferior.

c)Cabeza o escarpe Se refiere al sitio de cambio brusco de pendiente en la parte

superior.

d) Altura de nivel freático Distancia vertical desde el pie del talud o ladera hasta el nivel

de agua medida debajo de la cabeza.

e) Pendiente Es la medida de la inclinación del talud o ladera. Puede medirse

en grados, en porcentaje o en relación m/1, en la cual mes

la distancia horizontal que corresponde a una unidad de

distancia vertical.

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Ejemplo: Pendiente : 45o, 100%, o 1H:1V.

Existen, además, otros factores topográficos que se requiere definir

como son longitud, convexidad (vertical), curvatura (horizontal)

y área de cuenca de drenaje, los cuales pueden tener influencia

sobre el comportamiento geotécnico del talud.

B. Nomenclatura de los procesos de

movimiento

Los procesos geotécnicos activos de los taludes y laderas

corresponden generalmente, a movimientos hacia abajo y hacia

afuera de los materiales que conforman un talud de roca, suelo

natural o relleno, o una combinación de ellos. Los movimientos

ocurren generalmente, a lo largo de superficies de falla, por caída

libre, movimientos de masa, erosión o flujos. Algunos segmentos

del talud o ladera pueden moverse hacia arriba, mientras otros se

mueven hacia abajo.

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a) Escarpe principal Corresponde a una superficie muy inclinada a lo largo de la

periferia del área en movimiento, causado por el

desplazamiento del material fuera del terreno original. La

continuación de la superficie del escarpe dentro del material

forma la superficie de falla.

b) Escarpe secundario Una superficie muy inclinada producida por desplazamientos

diferenciales dentro de la masa que se mueve.

c)Cabeza Las partes superiores del material que se mueve a lo largo del

contacto entre el material perturbado y el escarpe principal.

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d) Cima El punto más alto del contacto entre el material perturbado y

el escarpe principal.

e) Corona El material que se encuentra en el sitio, prácticamente

inalterado y adyacente a la parte más alta del escarpe

principal.

f) Superficie de falla Corresponde al área debajo del movimiento que delimita el

volumen de material desplazado. El volumen de suelo debajo

de la superficie de falla no se mueve.

g) Pie de la superficie de falla La línea de interceptación (algunas veces tapada) entre la

parte inferior de la superficie de rotura y la superficie original

del terreno.

h) Base El área cubierta por el material perturbado abajo del pie

de la superficie de falla.

i) Punta o uña El punto de la base que se encuentra a más distancia de la

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cima.

j) Costado o flanco Un lado (perfil lateral) del movimiento.

k)Superficie original del terreno La superficie que existía antes de que se presentara el

movimiento.

l) Derecha e izquierda Para describir un deslizamiento se prefiere usar la orientación

geográfica, pero si se emplean las palabras derecha e

izquierda debe referirse al deslizamiento observado desde

la corona mirando hacia el pie.

C. Dimensiones Para definir las dimensiones de un movimiento se utiliza la

terminología recomendada por el IAEG:

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a) Ancho de la masa desplazada Wd Ancho máximo de la masa desplazada perpendicularmente a

la longitud, Ld.

b) Ancho de la superficie de falla Wr Ancho máximo entre los flancos del deslizamiento

perpendicularmente a la longitud Lr.

c)Longitud de la masa deslizada Ld Distancia mínima entre la punta y la cabeza.

d) Longitud de la superficie de falla Lr Distancia mínima desde el pie de la superficie de falla y la

corona.

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e) Profundidad de la masa desplazada

DdMáxima profundidad de la masa movida perpendicular al

plano conformado por Wd y Ld

f) Profundidad de la superficie de falla Dr Máxima profundidad de la superficie de falla con respecto a la

superficie original del terreno, medida perpendicularmente al

plano conformado por Wr y Lr.

g) Longitud total L Distancia mínima desde la punta a la corona del

deslizamiento.

h) Longitud de la línea central Lcl Distancia desde la punta o uña hasta la corona del

deslizamiento a lo largo de puntos sobre la superficie original

equidistantes de los bordes laterales o flancos.

El volumen de material medido antes del deslizamiento

generalmente, aumenta con el movimiento debido a que el

material se dilata. El término “Factor de expansión” puede

ser utilizado para describir éste aumento en volumen, como

un porcentaje del volumen antes del movimiento.

En algunas ocasiones como en el caso de roca el factor de

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expansión puede ser hasta de un 70%.

D. Etapas en el proceso de falla

La clasificación de deslizamientos pretende describir e identificar los

cuerpos que están en movimiento relativo. Las clasificaciones

existentes son esencialmente geomorfológicas y solamente algunas

de ellas introducen consideraciones mecánicas o propiamente

geológicas.

Las caracterizaciones geotécnicas son necesarias y por esta razón,

las clasificaciones eminentemente topográficas y morfológicas,

como las propuestas por Varnes (1978), Hutchinson (1988), etc.,

deben adaptarse a las condiciones verdaderas de los movimientos.

En este orden de ideas se deben considerar cuatro etapas

diferentes en la clasificación de los movimientos:

a) Etapa de deterioro o antes de la falla donde el suelo es

esencialmente intacto.

b) Etapa de falla caracterizada por la formación de una

superficie de falla o el movimiento de una masa importante

de material.

c) La etapa post-falla que incluye los movimientos de la masa

involucrada en un deslizamiento desde el momento de la falla

y hasta el preciso instante en el cual se detiene totalmente.

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d) La etapa de posible reactivación en la cual pueden ocurrir

movimientos que pueden considerarse como una nueva falla,

e incluye las tres etapas anteriores.

E.Procesos en la etapa de deterioro

El deterioro, con el tiempo puede dar lugar a la necesidad de

mantenimiento o construcción de obras de estabilización. Al

deterioro, sin embargo, se le da muy poca atención en el momento

del diseño y el énfasis se dirige a evitar las fallas profundas, más

que a evitar los fenómenos anteriores a la falla.

Cuando un talud se corta, para la construcción de una vía o de

una obra de infraestructura, ocurre una relajación de los esfuerzos

de confinamiento y una exposición al medio ambiente,

cambiándose la posición de equilibrio por una de deterioro

acelerado.

El deterioro comprende la alteración física y química de los

materiales y su subsecuente desprendimiento o remoción. Este

incluye la alteración mineral, los efectos de relajación y la abrasión.

La iniciación y propagación de fracturas es de significancia

particular en la destrucción de la superficie que puede conducir a

caídos de roca o colapso del talud.

La clasificación de los modos comúnes de deterioro fue propuesta

por Nicholson y Hencher (1997), pero en el presente texto se amplió

con el objeto de incluir la mayoría de los procesos que ocurren

previamente a la falla masiva.

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a) Caída de granos

Consiste en la caída de granos individuales de la masa de roca

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con desintegración física a granos como prerrequisito.

Depende de la resistencia de las uniones intergranulares y

las microgrietas relacionadas con los granos.

Causa un debilitamiento general del material de roca. No

representa una amenaza en sí misma pero puede conducir a

la pérdida de soporte y subsecuente colapso en pequeña

escala. Los finos pueden sedimentarse y producir depósitos

dentro de las estructuras de drenaje.

Como solución se sugiere la limpieza de los residuos en el pie

del talud y el cubrimiento con técnicas de bioingeniería

concreto lanzado y refuerzo local, donde exista riesgo de

colapso.

b) Descascaramiento

Caída de cáscaras de material de la masa de roca. Las

cáscaras tienen forma de láminas con una dimensión

significativamente menor a las otras dos dimensiones. Puede

reflejar la litología, fisilidad, o puede reflejar la penetración de

la meteorización.

Los fragmentos en forma de láminas no son grandes y

no constituyen una amenaza significativa, sin embargo, se

produce un depósito de sedimentos en el pie del talud.

Como tratamiento se sugiere las técnicas de bioingeniería y

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concreto lanzado con pequeños anclajes y obras de concreto

dental.

c)Formación, inclinación y caída de losas

de roca

Se forman prismas o pequeñas placas con dimensión mínima

de 50 mm, pudiendo existir deslizamiento y rotación o

pandeo. Generalmente, las fracturas a tensión paralelas a la

superficie del talud son prerequisito para su ocurrencia,

seguidas por la pérdida de soporte.

Pueden caer grandes bloques de material y pueden significar

una amenaza importante, causando daño a los canales de

drenaje, cercas, pavimentos o puede crear taludes negativos.

Las inclinaciones pueden considerarse como un proceso de

deterioro o como un movimiento del talud.

Como tratamiento se sugiere la construcción de gradas o

escaleras, bermas intermedias, refuerzo con pernos o

estructuras de contención.

d) Caídos de bloques

Pueden caer por gravedad, en forma ocasional bloques

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individuales de roca de cualquier dimensión, produciendo un

deterioro en la estructura del talud.

La amenaza es difícil de predecir debido al gran rango de

tamaños que pueden caer y especialmente los bloques

grandes pueden causar daño estructural. En ocasiones bajan

saltando y rodando y pueden caminar grandes distancias.

Estos caídos corresponden a los caídos de roca en la

clasificación general de movimientos en taludes.

Como tratamiento se sugiere la construcción de gradas, la

utilización de mallas de acero, concreto lanzado o

mampostería.

e) Desmoronamiento del talud

El desmoronamiento general del talud produce la caída de

bloques de diversas dimensiones en forma semicontinua.

Puede causar una amenaza significativa y crear grandes

acumulaciones de detritos en el pie del talud.

Como solución se sugiere la construcción de gradas,

colocación de mallas, trampas para detritos y cercas

protectoras; también se pueden construir estructuras de

submuración en mampostería o concreto lanzado. Los

bloques grandes pueden requerir aseguramiento con pernos,

anclajes o cables.

Las áreas con desintegración severa pueden requerir soporte

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total o disminuir el ángulo de inclinación del talud.

f) Caídos de roca

La caída de muchos bloques de roca “en un solo

evento” requiere que haya ocurrido un debilitamiento de la

masa de roca, debido a la fragmentación y a la ausencia de

soporte lateral. El volumen de la falla depende de los

diversos planos de discontinuidad y puede cubrir en un solo

momento varios planos (falla en escalera).

g) Lavado superficial o erosión

La erosión es el desprendimiento, transporte y depositación

de partículas o masas pequeñas de suelo o roca, por acción

de las fuerzas generadas por el movimiento del agua. El flujo

puede concentrarse en canales produciendo surcos y

cárcavas.

Las gotas de lluvia pueden contribuir al desprendimiento

de las partículas o granos. Puede producir sedimentación de

materiales en el pie del talud.

Como solución se propone generalmente, la construcción de

obras de drenaje y de bioingeniería, así como concreto dental,

concreto lanzado o modificaciones de la topografía del talud.

Los procesos de erosión son muy comunes en suelos

residuales poco cementados o en suelos aluviales,

especialmente, los compuestos por limos y arenas finas

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principalmente, cuando la cobertura vegetal ha sido

removida. Se conocen varios

tipos de erosión:

i. Erosión Laminar El proceso de erosión laminar se inicia por el impacto de las

gotas de agua lluvia contra la superficie del suelo,

complementada por la fuerza de la escorrentía

produciendo un lavado de la superficie del terreno como un

todo, sin formar canales definidos. Al caer las gotas de lluvia

levantan las partículas de suelo y las reparten sobre la

superficie del terreno.

La velocidad de las gotas de lluvia puede alcanzar valores

hasta de 10 metros por segundo y su efecto es muy grande

sobre las superficies de talud expuestos y sin cobertura

vegetal. El proceso es particularmente grave cuando la

pendiente del talud es grande, como es el caso de los taludes

de cortes en obras viales.

ii. Erosión en surcos Los surcos de erosión se forman por la concentración del

flujo del agua en caminos preferenciales, arrastrando las

partículas y dejando canales de poca profundidad

generalmente, paralelos. El agua de escorrentía fluye

sobre la superficie de un talud y a su paso va levantando y

arrastrando partículas de suelo, formando surcos (rills).

Los surcos forman una compleja microred de drenaje donde

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un surco al profundizarse va capturando los vecinos,

formando surcos de mayor tamaño, los cuales a su vez se

profundizan o amplían formando cárcavas en forma de V que

pueden transformarse a forma de U.

Inicialmente la cárcava se profundiza hasta alcanzar una

superficie de equilibrio, la cual depende de las características

geológicas e hidráulicas, para luego iniciar un proceso de

avance lateral mediante deslizamientos de los taludes

semiverticales producto de la erosión.

La localización en cuanto a su profundidad y la velocidad de

avance del proceso es controlada por los fenómenos de

tipo hidráulico y por la resistencia del material a la

erosión. Los surcos de erosión pueden estabilizarse

generalmente, con prácticas de agricultura.

iii. Erosión en Cárcavas Las cárcavas constituyen el estado más avanzado de erosión

y se caracterizan por su profundidad, que facilita el avance

lateral y frontal por medio de desprendimientos de masas de

material en los taludes de pendiente alta que conforman el

perímetro de la cárcava.

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Las cárcavas inicialmente tienen una sección en V pero al

encontrar un material más resistente o interceptar el nivel

freático se extienden lateralmente, tomando forma en U

iv. Erosión interna (Piping) El agua al fluir por ductos concentrados dentro del suelo

produce erosión interna, la cual da origen a

derrumbamientos o colapsos que pueden generar un

hundimiento del terreno o la formación de una cárcava.

v. Erosión por afloramiento de agua Un caso de erosión puede ocurrir en los sitios de

afloramiento de agua, formando pequeñas cavernas y/o

taludes negativos, los cuales a su vez pueden producir

desprendimientos de masas de suelo.

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h) Flujo de detritos

El desprendimiento y transporte de partículas gruesas y finas

en una matríz de agua y granos en forma de flujo seco o

saturado. Los flujos de detritos son impredecibles, mueven

grandes volúmenes de material y pueden crear una

amenaza moderada a alta.

Se requiere un análisis especial de cada caso para su

tratamiento. Generalmente no se les considera como

procesos de deterioro sino como deslizamientos. Sin

embargo, pueden generar grandes deslizamientos del macizo

al producir cambios topográficos importantes.

i) Colapso

Bloques independientes de gran tamaño colapsan debido a

la falta de soporte vertical. El tamaño de los bloques es de

más de 500 mm e incluyen los taludes negativos (overhangs).

Representa una escala grande de amenaza, de acuerdo a su

tamaño y potencial de colapso. Las soluciones incluyen

concreto dental, estructuras de refuerzo, submuración y otras

estructuras de retención.

j) Disolución

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La disolución de materiales solubles en agua que puede ser

acelerado por las condiciones locales, especialmente la

presencia de aguas agresivas. Puede producir cavidades

internas que podrían colapsar o formar cárcavas karsticas.

Como tratamiento se sugiere la inyección o relleno de

las cavidades o la construcción de estructuras de puente.

k)Expansión y contracción

En los suelos arcillosos se producen cambios de volumen

por cambios de humedad asociados con el potencial de

succión del material. Estas expansiones y contracciones

producen agrietamientos y cambios en la estructura del

suelo generalmente, con pérdida de la resistencia al cortante.

Se puede disminuir evitando los cambios de humedad o

disminuyendo el potencial de expansión utilizando

procedimientos físicos y químicos como es la adición de cal.

l) Agrietamiento cosísmico

Los eventos sísmicos pueden producir agrietamientos

especialmente en los materiales rígidos y frágiles. Los

agrietamientos cosísmicos debilitan la masa de talud y

generan superficies preferenciales de falla.

El agrietamiento cosísmico es menor cuando existe buen

refuerzo subsuperficial con raíces de la cobertura vegetal.

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m) Deformaciones por concentración de

esfuerzos y fatiga

Los materiales al estar sometidos a esfuerzos de compresión

o cortante sufren deformaciones, las cuales aumentan conel

tiempo en una especie de fatiga de los materiales de

suelo o roca. Estas deformaciones se pueden evitar

disminuyendo los esfuerzos sobre el suelo,

construyendo estructuras de contención o refuerzo.

n) Agrietamiento por tensión

La mayoría de los suelos poseen muy baja resistencia a la

tensión y la generación de esfuerzos relativamente pequeños,

(especialmente arriba de la cabeza de los taludes y laderas),

puede producir grietas de tensión, las cuales facilitan la

infiltración de agua y debilitan la estructura de la masa de

suelo permitiendo la formación de superficies de falla.

F.Caracterización del movimiento

Adicionalmente al tipo de movimiento es importante

definir las características que posee en cuanto a

secuencia, estado de actividad, estilo, velocidad,

humedad, y material.

a) Tipo de material

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Los términos siguientes han sido adoptados como

descripción de los materiales que componen un

determinado movimiento del talud.

i. Roca Se denomina “Roca” a la roca dura y firme que

estaba intacta en su lugar antes de la iniciación

del movimiento.

ii. Residuos Se denomina con el nombre de Residuos o

“Detritos” al suelo que contiene una significativa

proporción de material grueso. Se considera que

si más del 20% del material en peso es mayor de

2 milímetros de diámetro equivalente, debe

llamarse como Residuos.

Por lo general, deben existir partículas mucho

mayores de 2 milímetros para que pueda

considerarse de este modo.

iii. Tierra Se denomina tierra, al material de un

deslizamiento que contiene más del 80% de las

partículas menores de 2 milímetros. Se incluyen

los materiales desde arenas a arcillas muy

plásticas.

b) Humedad

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Se proponen cuatro términos para definir las condiciones

de humedad así:

Seco: No contiene humedad “visible”.

Húmedo: Contiene algo de agua pero no posee

agua (corriente) libre y puede comportarse como

un sólido plástico pero no como un líquido.

Mojado: Contiene suficiente agua para

comportarse en parte como un líquido y posee

cantidades visibles de agua que pueden salir del

material.

Muy mojado: Contiene agua suficiente para fluir

como líquido, aún en pendientes bajas.

c)Secuencia de repetición

La secuencia se refiere a movimientos que

inician en un área local y progresan o se

repiten en una determinada dirección.

Varnes (1978) recomienda utilizar la siguiente

terminología:

i. Progresivo La superficie de falla se extiende en la

misma dirección del movimiento.

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ii. Retrogresivo La superficie de falla se extiende en

dirección opuesta al movimiento

iii. Ampliándose La superficie de falla se extiende hacia una

u otra de las márgenes laterales

iv. Alargándose La superficie de falla se alarga agregando

continuamente volumen de material

desplazado. La superficie de falla puede

alargarse en una o más direcciones.

El término alargándose puede utilizarse

indistintamente con el término

progresivo.

v. Confinado Se refiere a movimientos que tienen un

escarpe visible pero no tienen superficie de

falla visible en el pie de la masa

desplazada.

vi. Disminuyendo El volumen de material siendo desplazado,

disminuye con el tiempo.

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d) Velocidad del movimiento

En la tabla se indica la escala de velocidades de

movimientos propuestas por el Transportation

Research Board de los Estados Unidos, la cual se

puede considerar como escala única de rata de

movimiento. En algunos casos, ocurren

velocidades diferentes de los diversos modos de

movimiento y se requiere definir cada uno de

ellos.

La velocidad del movimiento tiene gran influencia

sobre el poder destructivo de un deslizamiento.

Generalmente, los deslizamientos

extremadamente rápidos corresponden a

catástrofes de gran violencia, ocasionalmente

con muchos muertos y cuyo escape es poco probable.

Por otro lado los movimientos

extremadamente lentos son imperceptibles sin

instrumentos y representan, en general un riesgo

muy bajo de pérdida de vidas humanas.

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e) Estilo

Varnes estableció una nomenclatura de

actividad de deslizamiento cuando aparecen

conjuntamente diferentes tipos de movimiento:

i. Complejo Un deslizamiento complejo es aquel que

tiene al menos dos tipos de movimiento,

por ejemplo, inclinación y deslizamiento.

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b. Compuesto

El término compuesto corresponde al caso en el cual

ocurren simultáneamente

varios tipos de movimiento en diferentes áreas de la

masa desplazada.

c. Múltiple

Se denomina como múltiple un deslizamiento que

muestra movimientos repetidos

del mismo tipo (Figura 1.22), generalmente,

ampliando la superficie de falla.

Un movimiento sucesivo corresponde a

movimientos repetidos pero que no comparten la

misma superficie de falla.

d. Sencillo

Corresponde a un solo tipo de movimiento.

6. Estado de actividad

a. Activo

Deslizamiento que se está moviendo en los actuales

momentos.

b. Reactivado

Movimiento que está nuevamente activo, después de

haber estado inactivo. Por ejemplo, deslizamientos

reactivados sobre antiguas superficies de falla.

c. Suspendido

Deslizamientos que han estado activos durante los

últimos ciclos estacionales pero que no se está

moviendo en la actualidad.

d. Inactivo

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Deslizamientos que llevan varios ciclos estacionales

sin actividad.

e. Dormido

Deslizamiento inactivo pero que las causas del

movimiento aparentemente permanecen.

f. Abandonado

Es el caso de un río que cambió de curso y que

estaba produciendo un deslizamiento.

g. Estabilizado

Movimiento suspendido por obras remediales

artificiales.

h. Relicto

Deslizamientos que ocurrieron posiblemente, hace

varios miles de años se

pueden llamar deslizamientos Relictos.

7. Estructura geológica

La formación geológica del sitio del movimiento es

un factor determinante en el mecanismo de falla y en

el comportamiento de un movimiento en un talud,

especialmente en ambientes tropicales de montaña

donde la textura y estructura geológica definen por lo

general, la ocurrencia de fallas en los taludes.

1.9 MOVIMIENTOS POST-FALLA

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Los movimientos post-falla son movimientos en los

cuales la energía inicial es máxima y va

disminuyendo progresivamente. La energía del

movimiento se disipa con el rompimiento,

remoldeo o desaceleración por fricción del

movimiento inicial. En el caso de un material

perfectamente elastoplástico o dúctil, la energía

potencial se disipa por fricción. La energía tiene

tres componentes principales:

a. Energía Potencial

La cual se determina por las características

geométricas y de localización del

talud en el momento de la falla. Es importante

determinar el valor de la energía potencial al final

de la falla y su evolución posterior para poder

predecir el comportamiento del movimiento. Esta

energía potencial se convierte en energía cinética a

medida que se produce aceleración del

movimiento y esta energía cinética se disipa a otros

tipos de energía al disminuirse la velocidad.

b. Energía Friccionante

Depende del comportamiento esfuerzo - deformación

del suelo. En la práctica la energía de fricción es

difícil de evaluar debido a que se disipa no solamente

a lo

largo de una superficie de falla definida, sino a lo

largo de esfuerzos de desplazamiento en una gran

cantidad de superficies dentro de la masa deslizada.

c. Energía de Remoldeo o Desmoronamiento

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En suelos residuales no saturados y en rocas la

energía de remoldeo disipa buena

parte de la energía potencial o cinética; sin embargo,

en la literatura existe muy poca documentación sobre

el tema. Se conoce que los flujos de roca y detritos

alcanzan distancias superiores cuando no se

desmoronan y frenan rápidamente en el caso de

desmoronamiento. En el caso de arcillas, la energía

de remoldeo puede considerarse proporcional a la

resistencia al corte no drenado y al índice de

plasticidad de la arcilla. Entre menos resistente

el material, la energía de remoldeo es menor y por

lo tanto la disipación de energía cinética se produce a

una rata menor aumentándose la longitud de

recorrido del movimiento. En suelos no cohesivos la

energía de remoldeo es muy pequeña pero la energía

de fricción posee valores mucho más altos.

Longitud de Recorrido del Movimiento

Cuando la energía potencial de la falla se transforma

en energía cinética en un porcentaje importante, la

distancia de recorrido puede adquirir una dimensión

relativamente grande. Se han obtenido relaciones

entre el volumen de la masa fallada y la longitud de

recorrido para avalanchas en roca y flujos de arcilla

pudiéndose realizar las siguientes observaciones:

a. La relación entre el volumen de falla y la distancia

de recorrido depende del nivel de humedad o

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saturación de los materiales.

b. La distancia de recorrido generalmente, aumenta

con el volumen de la masa fallada.

c. La energía y la longitud de recorrido aumenta con

la altura del deslizamiento.

d. La relación log (longitud) - log (volumen) es

esencialmente lineal y con los datos limitados que

existen se ha propuesto una pendiente de 0.16 entre

los dos valores.

Debe tenerse en cuenta que una vez ocurrida la falla,

el movimiento posterior es de tal característica que no

se aplican los principios de la mecánica de suelos o

rocas y el comportamiento se describe mejor en

términos de conceptos de mecánicas de fluidos

integrados en un modelo viscoplástico, como el

desarrollado para flujos rápidos y avalanchas por

Hungr (1995).

El elemento energía debe también tenerse en cuenta.

La energía producida por un evento sísmico puede

generar energías cinéticas superiores a las de un

evento estático.

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G. Observación y monitoreo de los

fenómenos de remoción en masa

Un evento de remoción en masa es definido como

"todo desplazamiento hacia abajo (vertical o

inclinado en dirección del pie de una ladera) de un

volumen de material litológico importante, en el

cual el principal agente es la gravedad.” (Vargas,

1999). Debido a la magnitud y extensión de los

eventos de remoción en masa, no es posible hacer

un seguimiento sistemático de ellos, más aun

considerando el tamaño del territorio nacional. En

el caso de fenómenos de gran impacto que se

ciernen sobre áreas de interés especifico, las

corporaciones, alcaldías, gobernaciones y demás,

realizan estudios frecuentes mediante contratos con

empresas privadas, centros de investigación o

universidades, quienes a través de diversos

métodos realizan un diagnostico del evento. Sin

embargo, muchos deslizamientos que no

representan amenaza o son de

poca extensión, no son

reportados y por tanto no es

posible hacer un seguimiento de

la zona.

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Los sensores remotos han facilitado los procesos

para cartografiar este tipo de eventos, permitiendo

la comprensión de muchos de estos fenómenos. De

hecho gracias al área de cubrimiento de los

deslizamientos que estos instrumentos pueden

captar, se ha logrado comprender a través de

concienzudos análisis que estos pueden estar

relacionados y que un microdeslizamiento no es

más que una expresión de un fenómeno mucho

mayor que puede involucrar decenas de hectáreas.

Con la llegada de los primeros sensores remotos al

mercado con una resolución espacial de 30 metros

(Landsat 5) comenzó una verdadera revolución en el

estudio de los fenómenos de remoción en masa, ya

que es posible efectuar un seguimiento de estos

eventos de una manera periódica y caracterizar

elementos en el paisaje que con la fotografía aérea

tradicional no se podían identificar con claridad.

Esta etapa fue superada con la llegada al espacio

del primer radar en 1988 denominado “Lacrosse” el

primer sistema de este tipo, que aunque de uso

eminentemente militar, abrió la puerta para el

lanzamiento del ERS-1 por parte de la European

Spatial Agency ESA, satélite que por primera vez

permitía acceder a datos de un radar. Posterior a

ello, Japón lanzó el JERS-2 que con una resolución

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espacial de 18 metros supuso el desarrollo de

nuevas aplicaciones en el marco de la gestión del

riesgo.

Uno de los mayores aportes de estos sistemas es la

capacidad de interferometría que posibilita

mediante las imágenes tomadas por los radares,

generar modelos digitales de elevación del terreno,

y dar un paso más en la comprensión de los

fenómenos de remoción en masa que se suceden en

superficie terrestre, pues permiten recrear en un

ambiente virtual escenarios abstraídos de la

realidad.

Basado en este tipo de información y en los datos

arrojados por los valores de reflectancia de las

distintas bandas espectrales de los sensores

remotos se han desarrollado metodologías que

permiten caracterizar los movimientos de remoción

en masa para el país, cabe resaltar a este respecto

los trabajos elaborados por Germán Vargas como

“Evaluación de Imágenes Spot, Landsat y Radar en

la Cartografía de Movimientos en Masa” (Vargas,

1997), “Evaluación de imágenes de Radar ERS-1 en

estudios geológicos y geoambientales. Métodos de

cartografía y de zonificación de amenazas

naturales” (Vargas, 1997) y su tesis doctoral:

"Desarrollo de Métodos de Cartografía y Zonificación

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de Amenazas por Movimientos en Masa en los

Andes Colombianos" (Vargas, 1995). En los trabajos

adelantados por Vargas, los sensores remotos son

un instrumento fundamental para la evaluación de

este tipo de fenómenos.

Cees van Westen del ITC de Holanda también ha

desarrollado métodos mediante sensores remotos

para caracterizar deslizamientos, su método se basa

en el aprovechamiento de la resolución espacial de

los nuevos sensores remotos que puede alcanzar

hasta los 60 centímetros y la resolución espectral de

los mismos que le permite, mediante diversas

combinaciones de bandas espectrales identificar y

resaltar los diferentes fenómenos de remoción en

masa para cartografiarlos de esta manera.

Gracias a estos desarrollos y a la proliferación de

sensores remotos con diversos tipos de

instrumentos, se ha tratado de automatizar este

proceso para la identificación de deslizamientos y

fenómenos de remoción en masa en general, un

ejemplo de ello son las investigaciones adelantadas

por Javier Hervas de Diego “Tratamiento digital de

imágenes de teledetección en el espectro óptico

para el reconocimiento y control de deslizamientos”

(Hervas, 2001) quien mediante la identificación de

las características espectrales, de forma, y

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reflectancia desarrollo un modelo que le permitía

clasificar esta serie de eventos de manera

automatizada como si de un proceso de clasificación

supervisada se tratase.

Otros adelantos en el estudio de los fenómenos de

remoción en masa están relacionados con la

utilización de los modelos digitales de elevación del

terreno para la caracterización geomorfológica de

geoformas y las consecuentes variaciones de las

mismas. (Torres et al, 2006 Hernández et al, 2006)

Como se señalo anteriormente los DTM se han

convertido en una herramienta importante en la

definición y caracterización de los eventos de

remoción en el mundo, aunque aun es subutilizada

en la mayoría de los casos y utilizada básicamente

para modelamiento

hidrológico.

Recientemente el uso de la interferometría de radar

permitió ampliar aun más el uso de los sensores

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remotos en el estudio de este tipo de desastres.

Esta técnica permite mediante dos imágenes de

satélite de una misma área con diferente resolución

temporal, medir el desplazamiento del terreno, la

dirección del mismo y por supuesto las áreas más

afectadas por este tipo de fenómeno. Con la

implementación de estas técnicas, se puede llegar a

determinar cuáles son las zonas más susceptibles a

sufrir cualquier tipo de evento de remoción en masa

para la toma de decisiones tendientes a mitigar o

prevenir cualquier amenaza sobre el territorio.

Debe acotarse en este punto que si bien la

herramienta es muy útil, referido a los sensores

remotos, la misma es tan solo complementaria de

los estudios geológicos, geomorfológicos,

hidrológicos y afines que mediante análisis en

campo permiten comprobar las condiciones reales

del campo, así como el comportamiento de los

mismos en determinados periodos de tiempo. La

comprensión de todos estos fenómenos esta pues

condicionada por la información existente y la

calidad de la misma.

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APLICACIONES:

Remoción de masa para gases

INTRODUCCION

El endulzamiento del gas se hace con el fin de remover el H2S y el CO2

tanto de las corrientes de gas de refinería como las del gas natu r a l .

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El H2S y el CO2 se conocen como gases ácidos, porque en presencia de

agua forman ácidos, y un gas que posea estos dos contaminantes se conoce

como gas agrio. El ácido sulfúrico, también conocido como sulfuro de hidrógeno,

tiene la característica de tener un desagradable olor y ser muy tóxico. Cuando es

separado del gas mediante varios procesos, es enviado a plantas recuperadoras

de azufre en donde es vendido en forma líquida para sus diversos usos

industriales (producción de pólvora o usos médicos).

Por otra parte, el dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro, que a

concentraciones bajas no es tóxico pero en concentraciones elevadas

incrementa la frecuencia respiratoria y puede llegar a producir sofocación. Se

puede licuar fácilmente por compresión, sin embargo, cuando se enfría a presión

atmosférica se condensa como sólido en lugar de hacerlo como líquido. El

dióxido de carbono es soluble en agua y la solución resultante puede ser ácida

como resultado de la formación de ácido carbonilo, he aquí la propiedad

corrosiva que el CO2 presenta en presencia de agua.

Entre los problemas que se pueden tener por la presencia de H2S y CO2

en un gas se pueden mencionar:

Toxicidad del H2S.

Corrosión por presencia de H2S y CO2.

En la combustión se puede formar SO2 que es también altamente

tóxico y corrosivo.

Disminución del poder calorífico del gas.

Promoción de la formación de hidratos.

Cuando el gas se va a someter a procesos criogénicos es

necesario remover el CO2 porque de lo contrario se solidifica.

Los compuestos sulfurados (sulfuros de carbonilo y disulfuro de

carbono) tienen olores bastante desagradables y tienden a

concentrarse en los líquidos que se obtienen en las plantas de gas.

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Por todo lo anteriormente expuesto la remoción de todos estos

compuestos “indeseables” es algo imperativo en los procesos, para lograr este

objetivo se requieren de un proceso de Endulza m iento de cual se puede decir,

en general, que consta de cuatro etapas:

Endulzamiento. Donde se le remueve por algún mecanismo de

contacto el H2S y el CO2 al gas. Esto se realiza en una unidad de

endulzamiento y de ella sale el gas libre de estos contaminantes, o al

menos con un contenido de estos igual o por debajo de los contenidos

aceptables.

Regeneración. En esta etapa la sustancia que removió los gases

ácidos se somete a un proceso de separación donde se le remueve

los gases ácidos con el fin de poderla reciclar para una nueva etapa

de endulzamiento. Los gases que se deben separar son obviamente

en primer lugar el H2S y el CO2 pero también es posible que haya otros

compuestos sulfurados como mercaptanos (RSR), sulfuros de

carbonilo (SCO) y disulfuro de carbono (CS2).

Recuperación del Azufre. Como el H2S es un gas altamente

tóxico y de difícil manejo, es preferible convertirlo a azufre elemental,

esto se hace en la unidad recuperadora de azufre. Esta unidad no

siempre se tiene en los procesos de endulzamiento pero cuando la

cantidad de H2S es alta se hace necesaria. En la unidad recuperadora

de azufre se transforma del 90 al 97% del H2S en azufre sólido o

líquido. El objetivo fundamental de la unidad recuperadora de azufre

es la transformación del H2S, aunque el azufre obtenido es de calidad

aceptable, la mayoría de las veces, para comercializarlo.

Tratamiento de gas de cola. El gas que sale de la unidad

recuperadora de azufre aún posee de un 3 a un 10% del H2S removido

del gas y es necesario removerlo, dependiendo de la cantidad de H2S

y las reglamentaciones ambientales y de seguridad. La unidad de

Tratamiento de gas de cola continua la remoción del H2S bien sea

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transformándolo en azufre o enviándolo a la unidad recuperadora de

azufre. El gas de cola al salir de la unidad de tratamiento debe

contener solo entre el 1 y 0.3% del H2S removido. La unidad de

tratamiento del gas de cola solo existirá si existe la unidad

recuperadora de azufre.

Incineración. Aunque el gas que sale de la unidad de limpieza del

gas de cola sólo posee entre el 1 y 0.3% del H2S removido, aun así no

es recomendable descargarlo a la atmósfera y por eso se envía a una

unidad de incineración donde mediante combustión el H2S es

convertido en SO2, un gas que es menos contaminante que el H2S.

Esta unidad debe estar en toda planta de endulzamiento.

La extracción de azufre del petróleo y del gas natural representa un

importante porcentaje del azufre que se consume en el mundo. El azufre se

utiliza en procesos y preparación de compuestos para muchas otras industrias:

química, metalúrgica, caucho sintético, agricultura (insecticidas, herbicidas y

fungicidas), pulpa y papel, farmacéutica y explosivos. En construcción de vías se

ha experimentado para utilizarlo como recubrimiento de carreteras.

1. ENDULZAMIENTO DE GAS

El proceso para la eliminación de compuestos ácidos (H2S) y CO2)

mediante el uso de tecnologías que se basan en sistemas de absorción -

agotamiento utilizando un solvente selectivo se conoce como Endulzamiento.

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El ácido sulfúrico (H2S) se debe eliminar de las corrientes de gas por su

efecto toxico y corrosivo en presencia o no de agua y el Dióxido de Carbono

(CO2) por su efecto corrosivo en presencia de agua, por la disminución de poder

calorífico del gas y por que provoca congelamiento en las tuberías.

A continuación se puede ver el efecto que produce la concentración de

H2S en el aire:

CONCENTRACION EN EL AIREEFECTO

(%) ppm , v

0,00002 0,2 Olor perceptible y desagradable

0,001 10 Limite máximo permitido exposición 8 horas

0,01 100Dolores de cabeza, mareos, nauseas, vómitos, irritación de

ojos y garganta, parálisis olfativa en periodo de 3-15 minutos

0,016 150 Parálisis olfativa casi instantánea

0,025 250 Exposición prolongada conduce edema pulmonar

0,06 600Perdida de equilibrio y conocimiento. Parálisis respiratoria

entre 30-45 minutos de exposición

0,07 700 Parálisis respiratoria en pocos minutos de exposición

0,10 1000 Parálisis respiratoria instantánea y muerte

El CO2 dependiendo de las presiones de trabajo presenta un efecto de

corrosión en las tuberías de proceso. En presiones parciales menores a 7 psig la

corrosión que se presenta es baja, entre 7 y 30 psig la corrosión es moderada y

mayores a 30 psig la corrosión es severa. El CO2 en presencia del agua forma

acido carbónico, el cual reacciona con el hierro de la tubería formando Fe3CO2,

reduciendo el diámetro de las tuberías.

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CO + H O H CO2 2 2 3 Fe CO +2H++2e-

3 2+ Fe

Entre los problemas que se pueden tener por la presencia de H2S y CO2

en un gas se pueden mencionar:

Toxicidad del H2S.

Corrosión por presencia de H2S y CO2.

En la combustión se puede formar SO2 que es también altamente

tóxico y corrosivo.

Disminución del poder calorífico del gas.

Promoción de la formación de hidratos.

Cuando el gas se va a someter a procesos criogénicos es

necesario remover el CO2 porque de lo contrario se solidifica.

Los compuestos sulfurados (sulfuros de carbonilo y disulfuro de carbono)

tienen olores bastante desagradables y tienden a concentrarse en los líquidos

que se obtienen en las plantas de gas.

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Efecto de la Corrosión del H2S y CO2 en las Tuberías

La mayor parte de la recuperación de azufre es requerida por

regulaciones ambiéntales y no como parte del negocio, y una de las causas es la

volatilidad del precio del azufre. La cadena de procesos para la eliminación de

H2S y CO2 se muestra a continuación:

Gas natural agrio

Gas de refinería agrio

Endulzamiento de gas (H S)

2

Recuperación deAzufre SRU

Tratamiento gas de cola

Gas ácido a venteo o incineración

Regulaciones ambientales

De cola a venteo o incineración

Regulaciones ambientales

2. PROCESOS DE REMOCIÓN DE H2S Y CO2

Existen muchos procesos para la eliminación de H2S en gas natural y de

Refinería, y generalmente, la selección del proceso depende del nivel de H2S a

eliminarse y la velocidad de flujo del gas que va a tratarse entre ellos tenemos:

SOLVENTES QUIMICOS

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Aminas

Benfieldtm y Catacarbtm

SOLVENTES FISICOS

Propileno Carbonato (Fluor)

Selexoltm (Union Carbide)

Rectisoltm (Linde Ag)

Sulfinoltm (SHELL)

LECHOS SÓLIDOS

Tamices Moleculares

Esponja de Hierro

Sulfatreat

Oxido de Zinc

CONVERSION DIRECTA

Locattm

Sulferoxtm

SECUESTRANTES

Otros

Triazinastm

Sulfa Checktm

Sulfa Scrubtm

Otros

Membranas

Destilación Extractiva

2.1. Método de Selección del Proceso de Remoción de H2S y CO2

Como el proceso depende del nivel de H2S a eliminarse y la velocidad de

flujo del gas que va a tratarse a continuación se presentan diferentes

métodos para su selección:

De acuerdo a la cantidad de H2S presente en la corriente de gas:

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Mayor a 20 Ton/día: Tratamiento con Aminas + Recobro De Azufre

Entre 150 kg/d - 20 Ton/día: Reducción de Azufre en Lecho

Fijo

Menor a 150 kg/día: Secuestrantes no Regenerables.

De acuerdo a la cantidad de H2S presente en la corriente de gas y al flujo

de gas:

A

B

A +B

A +C

C

Región A (Cantidades Altas de Azufre): En esta región, generalmente se

favorece un proceso regenerable de Absorción / Desorcion del H2S unido

a un proceso de Claus para la conversión del H2S eliminado a azufre

elemental. Este proceso básico ha sido empleado y desarrollado durante

muchas décadas y se emplea bastante en el tratamiento de gas sulfuroso

en las plantas y refinerías de gas natural. Las unidades típicas de Claus

recuperan un 99.9% del azufre en el producto de alimentación; pero, ya

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que se están estableciendo limites sobre las emisiones totales de azufre

en gases con un alto contenido del mismo, el limite de recuperación se

esta estableciendo al 99.99% y para esto se deben incorporar unidades

de purificación del gas de cola.

Región B (Cantidades Medias de Azufre): En este caso se emplean

procesos de oxidación / reducción para convertir el H2S a azufre a

temperatura ambiente en solución acuosa mediante la oxidación con un

metal de transición coma catalizador. El Ion metálico se reduce durante

este paso y se vuelve a oxidar durante la regeneración de la solución.

Algunos de estos procesos son muy selectivos del H2S en presencia de

CO2, pero sufren la degradación gradual del agente oxidante y no son

adecuados para el tratamiento de los hidrocarburos líquidos. Las perdidas

de hidrocarburos son elevadas a alta presión y el proceso no puede

emplearse a temperaturas superiores a la temperatura ambiente. El gas

se satura con agua y podría ser necesaria una etapa adicional de secado.

Región C (Cantidades Bajas de Azufre): En esta región, el costo

financiero es relativamente reducido y la sencillez del los procesos pesan

más que el alto costo de operación por unidad de peso de azufre

eliminado.

De acuerdo a su facilidad de remoción:

ContaminanteAminas

(DEA)

Solv. físicos

(Selexol)

Solv. hibridos

(Sulfinol)

Carb. Potasio

(Benfield)

Tamices

moleculares

H2S Muy bueno Bueno Muy bueno Pobre-Reg Muy bueno

CO2 Muy bueno Bueno Muy bueno Bueno Muy bueno

COS Pobre/nada Bueno Bueno Posible Cuidado

Página 73 de 110

RSH(*) No/limitado Bueno Bueno Posible Muy bueno

CS2 No Bueno Bueno Posible ---

EMS, DMDS No --- --- --- ---

COS … Sulfuro de carbonilo (*) … denota mercaptanosCS2 … Disulfuro de carbono EMS… Etil metil sulfuroDMDS … Dimetil disulfuro

Uno de los procesos más importantes y mas utilizados para remover el

H2S y CO2 es el de absorción química con soluciones acuosas con

alcanolaminas. Este proceso consta de dos etapas:

Absorción de gases ácidos: Es la parte del proceso donde se lleva

acabo la retención del ácido sulfúrico y el bióxido de carbono de una corriente de

gas natural amargo utilizando una solución acuosa de Dietanolamina (DEA) a

baja temperatura y alta presión.

Regeneración de la solución absorbente: Es el complemento del

proceso donde se lleva acabo la desorción de los compuestos ácidos, diluidos

en la solución mediante la adición de calor a baja presión, reutilizando la

solución en el mismo proceso.

La química del proceso es la siguiente:

Acido Base

Sal Agua

H 2 S A min a Sulfuro de A min a H 2 O H 2 S A min a

CO 2 A min a Carbamato

de A min a H 2 O CO 2 A min a

Entre las características del proceso se tiene que no convierte el H2S en

un producto inocuo, Produce una corriente concentrada de H2S, las aminas

tienen diferentes capacidades y selectividades, los principales problemas de

operación son la espuma, corrosión y degradación de la amina y adicionalmente

Página 74 de 110

a este proceso se requiere de un proceso claus o de oxido / reducción para

eliminar el H2S.

Página 75 de 110

2.2. Problemas Operacionales en el Tratamiento con Aminas

Problema Operacional Causa Posible

Gas tratado fuera de especificación

Cambio de la concentración de gases ácidos(H2S, CO2) en la entrada

Alto contenido de productos de degradación de la amina


Bajo flujo de solvente


Baja concentración de amina en el solvente

Alta temperatura de la amina pobre

Baja temperatura del gas de entrada

Insuficiente regeneración de la amina

Daños en los internos del absorbedor

Formación de espuma Mal funcionamiento del separador de entrada

Presencia de sólidos en el solvente

Baja temperatura de la amina pobre

Presencia de productos de degradación

Problema Operacional Causa Posible

Formación de espuma Presencia de contaminantes arrastrados por el gas

No empleo de anti-espumantes

Pérdida excesiva de solvente

Mal funcionamiento del separador de salida

Alta velocidad del gas

Alta temperatura del regenerador

Fugas en el sistema

Alta temperatura del solvente

Página 76 de 110

Corrosión Alta concentración de amina

Alta concentración de gases ácidos

Alta presión en el tope del regenerador

Alto flujo del solvente

Presencia de productos de degradación, sales o cloruros

Inadecuada metalurgia

Contaminación y/o degradación del solvente

Mal funcionamiento del separador de entrada

Mal funcionamiento de los filtros

Alta temperatura del regenerador

Presencia de oxígeno (oxidación)

3. RECUPERACIÓN DE AZUFRE

En la recuperación de azufre se elimina el H2S de los gases ácidos y las

corrientes de hidrocarburos. El proceso Claus convierte el ácido H2S en azufre

elemental mediante reacciones térmicas y catalíticas.

Página 77 de 110

G a s d u l c e

L i m p i a d o r

C o n d e n s a d o r

G a s á c i d o

C o l u m n a d e s p o j a d o r a

C o n t a c t o r( a d s o r b e d o r ) E n f r i a d o r

B o m b a

B o m b a d e r e f l u j

R e h e v i v i d o r

G a s A g r i o

C o m b u s t i b l e

A m i n a r i c a c a l e n t a

L i m p i a d o r

T a n q u e d e f l a s h

I n t e r c a m b i a d o r B o m b a i m p u l s o r a

F i l t r o

Proceso de Absorción con AlcanoAminas

15

16

Después de quemar el H2S en condiciones controladas, los

deshidratadores eliminan el agua y los hidrocarburos de las corrientes de carga

de gas, las cuales se exponen seguidamente al catalizador para recuperar

azufre adicional. El vapor de azufre de la combustión y la conversión se

condensa y recupera.

Normalmente, los gases ácidos son procesados en una unidad Claus.

El proceso CLAUS está constituido por dos secciones: Sección Térmica y otra

Catalítica.

En la sección térmica, que posee un quemador con una cámara de

combustión y un WHB (waste heat boiler), un tercio del H2S presente en la

corriente ácida combustiona en forma controlada con aire produciéndose la

siguiente reacción:

H 2 S 3 2

O2 S O2 H2 O

Esta reacción es altamente exotérmica y se logran temperaturas del orden

de 1200°C, Luego en el horno de reacción (WHB), el H2S restante reacciona con

el SO2 de acuerdo a la reacción de equilibrio de Claus:

2 H 2 S SO2 2 H 2O 3 S2

Esta reacción tiene una conversión aprox. del 60 - 70%. Sumando ambas

reacciones, la reacción neta es:

3 H2 S3

2 O2 3 H2O 3 S2

En esta sección térmica la conversión aumenta con la temperatura, por lo

que se querrá tener la temperatura más elevada posible para tener la máxima

conversión. El diseño de la cámara de combustión debe asegurar la oxidación

total del NH3 presente en la alimentación, dado que de lo contrario se formarían

aguas abajo sales amoniacales que obstruyen los catalizadores.

Los gases provenientes del horno se enfrían en el WHB generando vapor

de alta presión (HPS).

17

Los gases enfriados del WHB se envían a un condensador que disminuye

la temperatura de la corriente a 160°C aprox., generando vapor de baja presión.

Esto produce la condensación del azufre formado, que se separa de la corriente

gaseosa antes que esta ingrese a la sección catalítica. En esta sección, se

continúa la reacción de Claus a menor temperatura con ayuda de un catalizador

de alúmina. Contrariamente a lo que ocurría en la sección térmica, en la zona de

bajas temperaturas, la conversión aumenta al reducirse la temperatura. Esto se

debe a la formación de otras especies de azufre (S6 y S8) distintas al S2 formado

en la sección térmica.

La temperatura de operación deberá entonces ser lo más baja posible

para maximizar la conversión de H2S pero lo suficientemente alta para tener una

velocidad de reacción elevada y para que no se produzca condensación del

azufre sobre el lecho catalítico. Normalmente la temperatura de entrada de los

gases al lecho catalítico es del orden de 200 a 230°C.

La sección catalítica consta normalmente de dos o tres etapas. A la salida

de cada etapa, se enfría la mezcla reaccionante para producir la separación por

condensación del azufre formado. De este modo se desplaza el equilibrio hacia

la mayor conversión Después se vuelve a calentar la mezcla, hasta la

temperatura de operación del lecho catalítico y se pasa a la etapa siguiente.

El Gas de Cola proveniente de la unidad de Claus todavía contiene una

cantidad de azufre que no permite su incineración sin exceder los límites

permitidos de SO2 en el efluente. Por este motivo deberá agregarse un

tratamiento posterior.

3.1. Catalizadores para Remoción de Azufre

Bauxita: Primeros en emplearse, Bajo costo.

Alúmina: Optimizada (macroporos, bajo Na2O, mínima sulfatación)

Promovida: FeO/Fe2O3

TiO2

18

Conversión de COS/CS2

3.2. Problemas Operacionales en las Unidades de Recuperación de

Azufre

El principal problema operacional es la desactivación del catalizador, el

cual se desactiva por:

Hidrocarburos:

CH 4 SO 2 COS H 2 O H 2CH 4 O 2CO S

CO / CO 2 /

C COS

H 2 O

CO 2

CH 4

2CO

H 2 S

2S 2

S2

C

OS

CS 2

CO 2

H 2 O

2H 2 S

CS 2

Reacciones parásitas que compiten

Formación de residuos de carbón

Dilución (mantenimiento de la relación 2:1)

Calidad del azufre

Sulfatación:

2NH 3 5/2 O2 2 NO 3H 2O :

Reacción parásita

Promoción de la formación de SO3: Sulfatación, corrosión,

depósito de sales

Condensación del azufre:

Bloqueo de poros

Taponamientos

Cuando el lecho catalizado esta activo las reacciones de conversión se

realizan en los primeros metros del reactor, por lo que el incremento temperatura

19

de temperatura es evidente en los primeros termopozos. Cuando comienza la

inactividad los primeros metros del lecho se inactivan y la reacción se desplaza

al final del reactor

Perfil de temperatura en el reactor°C

300

200

Buen estado

Mal estado

200 0 0,5 1Distancia desde el tope del lecho

4. PROCESOS DE TRATAMIENTO DE GAS DE COLA

El Gas de Cola es una mezcla de gases provenientes de las plantas

recuperadoras de azufre que contiene el remanente de compuestos de

azufre en forma de ácido sulfúrico (H2S), dióxido de azufre (SO2), disulfuro

de carbonilo (COS), disulfuro de carbono (CS2) y vapores de azufre que no

fue posible recuperar en el proceso y que debe ser sometido a un proceso

de oxidación térmica o equivalente para reducir su toxicidad.

Esta unidad procesa los gases de cola provenientes de las unidades de

recuperación de azufre. Este proceso consiste en el hidrotratado del gas de cola,

en un reactor donde se inyecta hidrógeno fresco, para transformar el dióxido de

azufre contenido en éste, nuevamente en sulfuro de hidrógeno.

20

El gas de cola “limpio” pasa al incinerador, donde se realiza una emisión

controlada de SOx (dióxido de sulfuro).

21

Etapa térmica Etapas catalíticas Incinerador Chimenea

H2S + 3/2 O2 SO2 + H2O +SO2 + 2H2S 3S + 2H2O +

SO + 2H S 3S + 2H O +

SO2

10.000 ppm30.000 ppm2 2 2

H2S

AIRE

H2O H2O

Combustible

Aire

Gas de Cola

RendimientoAproximado

S60%

H2OS

25%

H2OS

7%

Proceso Básico de Recuperación de Azufre CLAUS

22

SEPARADORES LÍQUIDO-GAS

HORNO ETAPA DE COMBUSTIÓN

CONVERTIDORES ETAPA DE CONVERSIÓN

VAPOR45LPCM

D-901 D-902

GAS ÁCIDO DE FMAY D-903

VAPOR60LPCM

E-902

D-904VAPOR 145 LPCM

CONDENSADO

GAS DE DESECHO A LA ATMOSFERA

F-901 E-904 E-901ECONOMIZADOR

INCINERADOR

GAS AGRIO

DE SWAYD-906

FILTRODE AIRE VAPOR

P-901A&B

AZUFRE AL TK-190 Y/O

A LOS LAJADORES F-902GAS

COMB.

AGUA AGRIA

A SWAYCONDENS.

Tk-901

P-902 B-901

Unidad de Recuperación de Azufre CLAUS Nº 1 en la Refinería de Amuay

23

Las regulaciones ambientales requieren un mínimo de porcentaje de

emisiones de SOx a la atmósfera. El estándar de diseño requerido esta referido a

un máximo de kg/hr de emisiones de SOx como promedio mensual o anual, estos

estándares requieren usualmente un analizador en línea en la estaca del

incinerador.

Los procesos de recuperación de azufre (Claus más Unidad de

Tratamiento de Gas de Cola (TGCU)) pueden recuperar el 99,9% del azufre. La

incineración de gas de cola usualmente es seguida de un proceso Claus o una

combinación de estos para oxidar todo los componentes de azufre remanentes

en el gas de cola antes de su descarga final a la atmósfera.

La composición típica del gas de salida de la unidad de recuperación de

azufre (gas de cola) hacia la TGCU es la siguiente:

2 % H2S.

1 % SO2.

Aprox. 600 ppm de COS y CS2.

Los procesos de TGCU mas comúnmente usados son los siguientes:

Reacciones continuas Claus como el CBA, MCRC y Sulfreen.

Algunas veces considerados una extensión o una integración al

proceso básico de Claus.

Reacciones de hidrogenación e hidrólisis seguidas por conversión

directa de azufre.

Procesos de hidrogenación e hidrólisis seguidos de absorción. El

ejemplo mas común es el proceso SCOT.

4.1. Reacción Claus Extendida en Lecho Sólido

(Debajo del Punto de Rocío)

Los Procesos de MCRC, CBA y sulfreen usan el principio de operar el

reactor claus tan frió como sea posible para mejorar la recuperación. El principio

24

de Le Châtelier ("si un sistema en equilibrio es perturbado, el sistema evoluciona

para contrarrestar dicha perturbación, llegando a un nuevo estado de equilibrio ")

es muy importante por que en la reacción claus, el azufre producido en la

reacción es removido (por condensación en el catalizador) los reactantes van a

reaccionar en mayor grado para reestablecer el equilibrio. Donde SL es el azufre

producto depositado en el catalizador.

2 H 2 S SO 2 3 S L 2 H 2O

La deposición de azufre ocurre en los poros del catalizador, por lo tanto el

flujo a través del lecho del catalizador no se obstruye y no se incrementa la

caída de presión. El catalizador de alumina tiene una gran macroporosidad, el

cual ha sido desarrollado para aumentar los tiempos en los ciclos de adsorción.

Las versiones de los procesos que trabajan por debajo del punto de roció, se

construyen con y sin sopladores de gas de regeneración, para circular el gas

caliente sobre el lecho cargado de azufre. Las válvulas on off y el soplador de

gas de regeneración presentan grandes problemas de mantenimiento debido la

corrosión por condensación. Los gases de venteo del incinerador típicamente

contienen entre 1000 y 2000 ppm de SO2.

4.1.1. Proceso CBA (Cold Bed Adsorption CBA)

El proceso de absorción de lecho frió Amoco, es una extensión del

proceso de reacción Claus a baja temperatura 127 y 148ºC. El azufre liquido

producido por la reacción Claus a baja temperatura condensa en el catalizador,

el cual eventualmente se carga de azufre perdiendo actividad. El lecho de

catalizador para ser regenerado sale de servicio y por intermedio de un juego de

válvulas el lecho es regenerado calentándolo con gas que proviene de los

vaporizadores de azufre. El azufre vaporizado es removido es los

condensadores. Una variación de este proceso utiliza los gases calientes del

primer reactor para regenerar el lecho del segundo reactor.

25

Diagrama de Flujo Proceso CBA (Cold Bed Adsorption CBA)

4.1.2. Proceso Sulfreen

El proceso es básicamente llevado a cabo por la reacción Claus entre el

H2S y SO2 a bajas temperaturas (En el rango de 260º F - 320ºF). El proceso

original empleaba carbón vegetal activado como medio catalítico adsorbente,

pero este requería altas temperaturas (500 ºC) para la regeneración usando

nitrógeno. La versión actual del proceso Sulfreen emplea alúmina como

catalizador, con la cuál se requieren dos etapas:

Uso de gas de regeneración conteniendo vapor de agua para

rehidratar la alúmina durante el enfriamiento.

Inyección de gas al final de cada una de las regeneraciones para

remover los sulfatos del catalizador.

Las ventajas de la alúmina son las siguientes:

Bajo costo.

Mayor conversión.

26

Menores costos de capital por las temperaturas mas bajas

requeridas para la regeneración (300ºC), el cuál permite el uso de

acero al carbono como material en vez de acero inoxidable.

Menores costos de mantenimiento y operación.

La operación es más sencilla.

El gas de cola de la unidad de Claus pasa a través de reactores en

paralelo que adsorben el H2S y SO2 y convierten los componentes de azufre en

azufre elemental el cual es retenido en el catalizador. Durante la regeneración el

gas de regeneración el recirculado hacia el lecho. El gas es enfriado en el

condensador y puede ser usado para generar vapor de baja presión y condensar

el azufre. Cuando la adsorción es completada, el lecho catalítico debe ser

enfriado antes de ser puesto en servicio de nuevo. El azufre producido por este

proceso se ha reportado por ser amarillo claro y con un 99.9 % de pureza.

Diagrama de Flujo PROCESO Sulfreen

27

4.1.3. Proceso MCRC

El proceso MCRC (Maximum Claus Recovery Concept) ha sido aplicado

en mas de 16 plantas en combinaciones Claus/MCRC con capacidades entre

13 y 525 ton/d. Las Plantas Claus existentes pueden ser modificadas para

operar con este proceso.

La versión de tres y cuatro convertidores pueden lograr una recuperación

de azufre entre 99.3 a 99.5%. Los costos para las plantas de tres y cuatro

convertidores son de 7% y 23% más que los costos asociados a la planta Claus

convencional de tres convertidores. Válvulas de tres vías son las características

del proceso MCRC.

Diagrama de Flujo Proceso MCRC

28

4.2. Reacción Claus Extendida Catalizada en Fase Liquida

4.2.1. Proceso ASR SULFOXIDE

EL proceso llamado Alberta Sulphur Research (ASR) fue descubierto para

remover los componentes de azufre del gas natural. Este emplea un sulfóxido

orgánico como líquido catalizador para llevar a cabo la reacción Claus.

El proceso trabaja a bajas concentraciones de H2S y SO2 arrastrado de la

unidad Claus. Una de las características más importantes del proceso es la

capacidad de convertir el Sulfuro de Carbonilo (COS) y Disulfuros de Carbono

(CS2) en Azufre y operando a temperatura ambiente. La recuperación de azufre

tiene alta pureza, color y calidad asociada con el azufre producido de los

métodos convencionales de procesamiento de gases ácidos.

La alimentación con un contenido de 2% H2S, 1% de SO2 y

aproximadamente 600 ppm de Sulfuro de carbonilo y Disulfuro de Carbono que

pueden ser tratados por el proceso para obtener concentraciones de 150 a 200

ppm de H2S y SO2 y 150 ppm de COS y CS2 en le gas tratado. El agua

producida en la reacción puede ser separada a temperaturas menores que el

sulfóxido y el azufre producido es separado como sólido.

4.2.2. Proceso CLAUSPOL 300 (IFP)

El proceso del Instituto Francés del Petróleo (IFP) es diseñado para

completar la reacción Claus entre el H2S y el SO2. La reacción es completada

por disolución la corriente de gas ácido en un solvente que contiene un

catalizador que forma un complejo activado con el H2S y SO2. La adición de este

proceso a una unidad Claus se alcanzan conversiones por encima del 99 % de

azufre.

El gas efluente de la unidad Claus con una temperatura alrededor de los

260 ºF es alimentado a la parte inferior de la columna empacada. El catalizador

solvente es introducido por el tope de la torre fluyendo en contracorriente en la

unidad de gas de cola. La reacción Claus es llevada a cabo en el solvente.

29

La solubilidad del azufre en el solvente es baja y es continuamente

removido de un colector desde la parte inferior del absorbedor. La temperatura

en la columna esta por encima del punto de fusión del azufre por lo que el

mismo es removido en forma liquida. Como la reacción Claus es exotérmica, el

control de temperatura de la columna es mantenido por la inyección de vapor

condensado en la corriente de solvente de reciclo. La temperatura del líquido se

mantiene entre 260 y 280 ºF.

Los sulfuros de carbonilo y disulfuros de carbono no reaccionan con el

catalizador IFP (Solvente). Por esta razón, concentraciones de COS y CS2

deben mantenerse en su mínimo a través de la operación. Aún más, la relación

H2S/SO2 debe ser cercana a 2.0. Esto es deseable en el proceso IFP porque el

H2S tiene ligeramente menor solubilidad en el solvente que el SO2.

El solvente generalmente empleado es Glicoles polialcalinos con un

catalizador seleccionado de varios sales metálicas del ácido carboxílico, álcalis y

alcalinos de la tierra. En adición a un glicol polialcalino, otros alcoholes, glicoles,

éteres de glicol y poliéteres de glicol pueden ser usados como solventes.

El azufre y el solvente presentan muy baja solubilidad entre ellos, por lo

que, la mayor parte del azufre se mantiene como una fase líquida pesada en el

fondo de la columna de absorción. Como el solvente tiene una baja presión de

vapor, las pérdidas por evaporación son bajas.

30

Diagrama de Flujo Proceso IFP

4.3. Procesos de Oxidación del H2S a SO2 con Posterior Absorción y

Reacción

4.3.1. Proceso WELLMAN-LORD

Proceso diseñado para absorber el SO2 y disminuir la concentración de

SO2 en la corriente de gas efluente por debajo de 200 ppm. La absorción es

lograda a través del uso de una solución de sulfito de sodio. En la primera etapa

el SO2 y el sulfito de sodio reaccionan para formar bisulfito de sodio, según

ecuación siguiente:

SO 2 Na 2 SO3 H 2O 2 NaHSO 3

Esta reacción es revertida aplicándole calor en la sección de

regeneración, donde el SO2 cambia a estado gaseoso. La temperatura de

regeneración es aproximadamente 120 ºF, y trabaja mejor a concentraciones de

bisulfito y presiones parciales de SO2 altas. Bajo estas condiciones la

vaporización de SO2 ocurre a una temperatura suficientemente baja para

mantener la vaporización del agua bajo límites económicos. Uno de los

31

problemas inherentes en el sistema sulfito/bisulfito es que la presión parcial del

SO2 cae rápidamente con el incremento de la concentración de bisulfito lo que

causa pérdidas considerables de calor por la vaporización del agua. Este

proceso sobrelleva este problema tomando en cuenta la más baja solubilidad del

sulfito de sodio. La operación del cristalizador/evaporador asegura una alta

concentración de bisulfito en la etapa de regeneración.

En el proceso el gas rico en SO2 es introducido por la parte inferior del

absorbedor y asciende a través de la torre en contra corriente con la solución de

sulfito regenerada el cual entra por el plato superior del absorbedor. El gas que

entra debe estar saturado con vapor de agua para prevenir la cristalización del

sulfito/bisulfito debido a la vaporización del agua. La columna opera alrededor de

110 ºF.

La solución rica en bisulfito es bombeada desde el fondo del absorbedor

al cristalizador/evaporador el cual opera a aproximadamente 230 ºF y 1 Psig,

aproximadamente de 9 a 10 libras de vapor son requeridas por cada libra de SO2

evaporada.

La mezcla es removida continuamente del evaporador/cristalizador y

llevada a un separador centrífugo. La solución madre de alcohol desde el

separador es enviada a un tanque y luego retornada al evaporador/cristalizador

mientras los cristales sólidos de sulfito de sodio son enviados al tanque de

disolución para luego ser devueltos al absorbedor. Los gases de salida del

evaporador/Cristalizador contienen solamente un 10% de SO2, como

consecuencia, el agua es condensada y retornada al sistema. Debe tenerse la

previsión de retirar la solución madre de alcohol porque puede generar

reacciones indeseadas y llevar a la formación de subproductos en el sistema. La

solución que es purgada es reemplazada por una solución de hidróxido de sodio

de reposición.

Los productos de SO2 de la planta pueden ser alimentados a una planta

de ácido sulfúrico o vendido como producto SO2 directamente. Esta planta

incrementará la recuperación de azufre desde 96% hasta 99.43%.

32

Diagrama de Flujo Proceso WELLMAN-LORD

4.4. Procesos de Reducción a H2S con Posterior Absorción y Reacción.

4.4.1. Proceso Claus Offgas Treating (Tratamiento del Gas de Salida

Claus-SCOT).

El proceso SCOT fue desarrollado por los laboratorios Royal Dutch de la

Shell en Holanda. Es uno de los procesos mas ampliamente empleados para la

limpieza del gas de cola en la industria del gas. Las unidades SCOT varían en

tamaño desde 4 t/d hasta por encima de 2100 t/d.

El proceso es confiable así como las plantas Claus modificadas, pero

sensible a cambios en composición del gas de cola, si el gas de cola de la planta

Claus contiene mucho SO2, la unidad SCOT podría tener dificultad a nivel

operacional.

Los beneficios del proceso SCOT son los siguientes:

Es de fácil adaptación a una unidad Claus ya existente.

Emplea equipos y tecnología muy familiares en los procesos.

Fácil y flexible a nivel operacional.

Elimina la contaminación del agua y aire.

33

Alto grado de remoción de compuestos de azufre en un rango

amplio de condiciones de operación.

Es considerado unos de los procesos más flexibles.

El proceso SCOT involucra tres etapas.

Calentamiento y reducción.

Enfriamiento súbito.

Absorción de H2S, despojamiento y reciclo.

Proceso SCOT

En la primera etapa, el gas de cola proveniente de la unidad Claus es

calentado hasta aprox. 300ºC y reacciona con hidrogeno (o un gas reductor)

sobre un catalizador de cobalto-molibdeno. Todos los compuestos de azufre

(SO2, S, COS, CS2, etc) son convertidos a H2S por las siguientes reacciones:

Hidrogenación:S X xH 2 xH 2 S

SO2 3H 2 H 2S 2H 2O

CO H 2 O CO 2 H 2

Hidrólisis:

COS H 2 O CO 2 H 2 S

CS 2 2H 2O CO2 2H 2 S

Estas reacciones son altamente exotérmicas, por lo que el gas sale a una

elevada temperatura la cual es llevada a la temperatura ambiente en una Torre

de lavado con agua en contracorriente. La etapa final es una absorción selectiva

del H2S en una solución de una alcanoamina usualmente Metildietanonolamina

(MDEA). El gas de venteo del contactor SCOT, generalmente contiene menos de

100 ppmv de H2S, que normalmente es quemado antes de verterlo a la

atmósfera. La amina rica es despojada de manera convencional y la corriente

rica en H2S es recirculada de nuevo a la planta Claus. Típicamente, el solvente

34

también absorberá alrededor de 10-15% o menos del CO2 presente en el gas de

cola.

El proceso SCOT ha sido aplicado a plantas Claus con 2 y 3

convertidores. Todos los equipos pueden ser construidos de acero al carbono y

el catalizador de reducción no es costoso y se estima que tiene una vida útil de 3

años. A continuación se muestra la integración entre la unidad de recuperación

de azufre y la unidad SCOT.

Reciclo de Gas de Acido

Vapor deAlta Presión

Vapor deBaja Presión

Vapor deBaja Presión Gas al

Mechurrio

Gas Acido

Gas Acido de Trat. de Agua Acida

Unidad de Recuperación

de Azufre CLAUS

Gas de Cola

CLAUS Sección de Reacción

SCOT

ContactorSCOT

Gas de Cola

SCOT Incinerador y Mechurrio

AireAzufreLiquido

AireGas

CombustibleAzufreLiquido

AireGas

Combustible

Diagrama de Flujo Proceso SCOT

35

Problemas Operacionales

Los problemas en la unidad Claus aguas arriba puede causar problemas

mayores en la planta SCOT. Problemas en la unidad de aminas aguas arriba de

la unidad de recuperación de azufre pueden causar serios problemas en la

unidad SCOT.

Por ejemplo, si no se liberan los hidrocarburos en el tambor flash o en el

tambor de reflujo de la columna despojadora, los hidrocarburos líquidos pueden

ser llevados a la planta Claus. Esto consume oxigeno que causaría que la planta

Claus tenga deficiencia en la cantidad de oxigeno suplida por el aire. Lo que

conlleva a que el analizador del gas de cola compense esta deficiencia con un

incremento en el flujo de aire. Este incremento de flujo de aire causaría una

excesiva producción de SO2, antes de que el analizador de gas de cola pueda

disminuir la relación de aire.

El exceso de SO2 durante ese intervalo puede ser tan grande que al llegar

a la etapa de enfriamiento súbito y se coloque en contacto con vapor de agua se

formaría ácido sulfúrico. Aún mas el SO2 podría pasar a través del lazo de

enfriamiento y llegar a la etapa de despojamiento del gas ácido y acelerar el

proceso de degradación de la solución de amina.

Para proveer un margen de seguridad se debe operar la unidad de

recuperacion de azufre (Claus) aguas arriba de la unidad de gas de cola con una

relación de 5:1 a 7:1 H2S:SO2, a través de una deficiencia en la cantidad de aire.

Esta relación tiene dos ventajas:

1. La magnitud en la producción de SO2 debida al arrastre de

hidrocarburos sería menor.

2. El catalizador Claus operaría en modo rejuvenecido por la

desviación en la reacción de sulfonación.

Unidad RGG (Reducing Gas Generador)

Muchos de los problemas de la unidad SCOT son causados por la mala

operación de la unidad RGG. El quemador calienta el gas de cola a la

36

temperatura del reactor SCOT. El RGG produce H2 y CO por relación

estequiométrica del gas combustible (Alrededor de 75 a 80% del teórico).

Generalmente el H2 en la alimentación al reactor SCOT es menor a 2%. Mas del

2% de H2 viene asociado con excesivo CO el cual puede causar que los niveles

emitidos de CO en el incinerador sean excedidos. Si la cantidad de aire esta por

debajo del 70% del requerido, el CO sería producido; pero cantidades mayores

al 90% se mantendrá un exceso de aire que no reaccionaria, causando

problemas aguas abajo. El control de flujo de aire y la concentración de oxigeno

es muy importante en el proceso.

El Reactor SCOT

Un catalizador de cobalto-molibdeno es el normalmente empleado, el cual

es activo en su forma sulfurosa. El catalizador es presulfurado antes de la

instalación. Si es sulfurado en planta el catalizador debe siempre tener H2S

presente y no hidrógeno solo:

Las reacciones para la sulfuración del catalizador son:

CoO H 2 S CoS H 2O

MoO 3 3H 2 S MoS 3 3H 2O

CoO H 2 Co H 2O

MoO 3 3H 3 Mo 3H 2O

Las dos últimas reacciones son indeseadas por una subsiguiente caresa

de oxigeno que puede causar sobre calentamiento del lecho y por ende, daño

mecánico al catalizador y al reactor.

Las reacciones de hidrólisis del COS no se llevarían a cabo hasta 100%.

Catalizador fresco produciría de 5 a 20 ppmv COS en el efluente del reactor. Las

condiciones del catalizador pueden ser monitoreadas por la medición de COS en

la corriente de tope de la columna quench. El CO es rutinariamente monitoreado.

El tiempo de vida útil del catalizador es mínimo de 3 a 4 años.

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Las velocidades espaciales típicas son de 1500 a 2000 hr-1 y una

temperatura de entrada de 300ºC. Mayores temperaturas podrían ser empleadas

pero esto consumiría mayor cantidad de gas combustible y disminuiría la vida útil

del catalizador.

La Columna de enfriamiento súbito

Los gases provenientes del reactor SCOT fluyen hacia un lazo cerrado de

agua donde son enfriados y el agua contenida en el condensa. Esta agua puede

ser rehusada en el proceso. El pH del agua de circulación del quench es

importante, ya que valores bajos de pH dan indicio de que cantidades

considerables de SO2 están ingresando al sistema, se controla añadiendo

hidróxido de sodio (NaOH).

El Contactor SCOT

La selección del solvente es importante. El solvente debe ser

suficientemente reactivo para reducir las cantidades de H2S a niveles bajos

aceptables, así como también las cantidades de CO2 a una presión de operación

atmosférica. Generalmente es empleada MDEA como solvente base.

Alimentaciones múltiples pueden ser usadas en este contactor las y columnas

empacadas pueden ayudar a reducir la caída de presión. La solución rica es

bombeada al despojador debido a la baja presión de operación del contactor.

4.4.2. Proceso BEAVON SULFUR REMOVAL PROCESS (BSRP)

El proceso de remoción de azufre Beavon fue desarrollado por Ralph M.

Parsons Company y Union Oil Company de California. Este proceso es capaz de

remover el 99,9% de azufre en la corriente de gas acido, dejando menos de 250

ppm de azufre en el gas de cola de la unidad. El proceso consta de tres pasos:

1. Hidrogenación e hidrólisis de componentes de azufre a H2S en un

reactor de lecho catalizado de cobalto-molibdeno.

2. Enfriamiento de los gases provenientes del reactor.

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3. Conversión del H2S en el gas de cola a azufre elemental usando el

proceso Stretford.

El gas de cola proveniente de la planta de azufre se mezcla con aire y gas

combustible (si es necesario) y se alimenta al reactor que contiene el catalizador

de cobalto-molibdeno.

El reactor opera con una temperatura de 370 ºC para obtener una

conversión del 98 % del Sulfuro de Carbonilo a H2S. Los gases desde el reactor

se enfrían y entran a la unidad Stretford donde el H2S es convertido a azufre.

El proceso de BSRP se excede un poco de las regulación ambientales

para el venteo de SO2. Normalmente este proceso es considerado para la

modificación de grandes plantas con procesos claus.

Este proceso tiene las siguientes ventajas:

Remueve COS en orden de 100 ppm.

Generalmente aceptado por las autoridades cuando los

requerimientos de emisión de los gases son muy rigurosas

Entre las desventajas se incluyen:

Produce un azufre de baja calidad.

Los reactivos en la unidad stretford contienen vanadio y puede

causar problemas en la disposición de los desechos.

Altos costos de operación y mantenimiento.

La unidad stretford puede presentar problemas de operación.

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Catalizador cobalto-molibdeno en una primera etapa y absorción con Aminas en

una segunda etapa.

Diagrama de Flujo Proceso Beavon

4.4.3. Proceso MODOP

El Proceso MODOP (Mobil Direct Oxidation Process) presenta

características muy similares al proceso SCOT con algunos rearreglos. La

primera planta fue puesta en servicio en las plantas NEAG en Voigten, al Nor-

Oeste de Alemania en 1983. Posteriormente se construyeron otras plantas en

Alabama, USA. La recuperación de la unidad Claus mas la MODOP están en el

rango del 99.5%.

El proceso consiste en las siguientes etapas:

Hidrogenación e Hidrólisis de los compuestos de azufre a H2S

sobre catalizadores de Níquel/Molibdeno o Cobalto/Molibdeno a

500 - 626 ºF.

Remoción del vapor de agua en sistema de enfriamiento.

Uno o dos reactores de oxidación directa del H2S.

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H 2 S O2 S H 2O

Sobre un catalizador que contiene TiO2 a 340-390 ºF y una velocidad

espacial de 1500 hr-1.

Condensación del azufre en condensadores operando cercano al

punto de congelamiento del azufre a 250 ºF.

La razón de remover el agua en el reactor de oxidación directa es debido

al principio de equilibrio químico de “Le Chatilier”. De acuerdo a la reacción

antes descrita si se remueve tanta cantidad de agua que se pueda, el equilibrio

se inclinaría hacia la derecha, a la mayor producción de azufre elemental.

4.5. Unidades de Tratamiento de Gas de Cola en Venezuela

En el proceso de hidrotratamiento en las refinerías de Amuay y Cardón,

están diseñadas para que los gases ácidos provenientes de estas unidades

pasen a una unidad de amina. Esta unidad emplea la DIPA (Di-Isopropanol-

amina), los gases resultantes de esta unidad van a una Unidad de Recuperación

de azufre Claus.

Los Gases craqueados de las Unidades de Flexicoquización y

Coquización Retardada son tratados en una Unidad de Amina. Usualmente se

emplea DEA (Di-etanol-amina) y los gases resultantes de esta unidad van a una

Unidad de Recuperación de azufre Claus

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Comparación de Recuperación de Azufre con varios Procesos

Sistema de Recuperación Eficiencia de

Recuperación, %

Claus de dos Etapas con bypass en el sobrecalentamiento 90 – 94

Claus de dos Etapas con sobrecalentamiento indirecto 93 – 96.8

Claus de tres Etapas con sobrecalentamiento indirecto 95

Claus de dos Etapas (96%) con una Unidad CBA de TGCU 99+

Claus de dos Etapas (96%) con dos Unidades CBA de TGCU 99.5+

Claus de dos Etapas (95.5%) con una Unidad Sulfreen de TGCU 99+

Claus de dos Etapas (95%) con una Unidad IFP de TGCU 98.1 – 99.4

Unidad Claus (94%) con un Proceso SCOT de TGCU 99.9

Unidad Claus con un Proceso BEAVON de TGCU 99.9

Unidad Claus con un Proceso Welman-Lord de TGCU 99.9

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Documents

Proceso de Remocion de Masa